Entropie și viață - Entropy and life

Cercetări privind relația dintre termodinamic cantitatea entropia și evoluția de viață a început în jurul secolului 20. În 1910, istoricul american Henry Adams a tipărit și distribuit bibliotecilor universitare și profesorilor de istorie volumul mic O scrisoare către profesorii de istorie americani propunând o teorie a istoriei bazată pe a doua lege a termodinamicii și pe principiul entropiei.

Cartea din 1944 Ce este viața? de Nobel -laureate fizicianul Erwin Schrödinger a stimulat continuarea cercetării în domeniu. În cartea sa, Schrödinger a afirmat inițial că viața se hrănește cu entropie negativă sau negentropie așa cum se numește uneori, dar într-o ediție ulterioară s-a corectat ca răspuns la plângeri și a afirmat că adevărata sursă este energia liberă . Lucrări mai recente au limitat discuția la energia liberă a lui Gibbs, deoarece procesele biologice de pe Pământ apar în mod normal la o temperatură și o presiune constante, cum ar fi în atmosferă sau la fundul oceanului, dar nu în ambele perioade scurte de timp pentru organisme individuale. .

Ideile despre relația dintre entropie și organismele vii au inspirat ipoteze și speculații în multe contexte, inclusiv psihologia , teoria informației , originea vieții și posibilitatea vieții extraterestre .

Vederi timpurii

În 1863, Rudolf Clausius și-a publicat notariile sale despre Despre concentrarea razelor de căldură și lumină și despre limitele acțiunii sale , în care a subliniat o relație preliminară, bazată pe propria sa lucrare și pe cea a lui William Thomson (Lord Kelvin) , între procesele vii și conceptul său nou dezvoltat de entropie. Bazându-se pe aceasta, unul dintre primii care a speculat asupra unei posibile perspective termodinamice a evoluției organice a fost fizicianul austriac Ludwig Boltzmann . În 1875, bazându-se pe lucrările lui Clausius și Kelvin, Boltzmann a argumentat:

Lupta generală pentru existența ființelor animate nu este o luptă pentru materii prime - acestea, pentru organisme, sunt aer, apă și sol, toate disponibile din abundență - și nici pentru energie care există în abundență în orice corp sub formă de căldură, ci o lupta pentru entropie [negativă] , care devine disponibilă prin trecerea energiei de la soarele fierbinte la pământul rece .

În 1876, inginerul civil american Richard Sears McCulloh , în Tratatul său despre teoria mecanică a căldurii și aplicarea acesteia la motorul cu aburi , care a fost un manual de termodinamică timpuriu, afirmă, după ce a vorbit despre legile lumii fizice, că „acolo nu sunt niciunul care să fie stabilit pe o bază mai fermă decât cele două propoziții generale ale lui Joule și Carnot ; care constituie legile fundamentale ale subiectului nostru. " McCulloh arată mai departe că aceste două legi pot fi combinate într-o singură expresie după cum urmează:

Unde

entropie
o cantitate diferențială de căldură trecută într-un sistem termodinamic
temperatura absolută

McCulloh declară apoi că aplicațiile acestor două legi, adică ceea ce sunt cunoscute în prezent ca prima lege a termodinamicii și a doua lege a termodinamicii , sunt nenumărate:

Când reflectăm cât de general fenomenele fizice sunt legate de schimbările și relațiile termice, devine imediat că există puține, dacă există, ramuri ale științei naturale care nu sunt mai mult sau mai puțin dependente de marile adevăruri luate în considerare. Prin urmare, nici nu ar trebui să fie o surpriză faptul că deja, în scurtul timp, nu a trecut încă o generație, de când teoria mecanică a căldurii a fost adoptată în mod liber, ramuri întregi ale științei fizice au fost revoluționate de aceasta.

McCulloh oferă câteva din ceea ce el numește „exemple mai interesante” de aplicare a acestor legi în măsură și utilitate. Primul său exemplu este fiziologia , în care afirmă că „corpul unui animal, nu mai puțin de un vapor sau o locomotivă, este cu adevărat un motor termic , iar consumul de alimente în acesta este exact analog cu arderea combustibilului în cealaltă; în ambele, procesul chimic este același: cel numit combustie ”. Apoi încorporează o discuție despre teoria respirației lui Antoine Lavoisier cu cicluri de digestie, excreție și transpirație, dar apoi contrazice Lavoisier cu descoperirile recente, cum ar fi căldura internă generată de frecare , conform noii teorii a căldurii , care, potrivit pentru McCulloh, afirmă că „căldura corpului în general și uniform este difuză în loc să fie concentrată în piept”. Fără îndoială, o fracțiune din căldura generată de animale este produsă în acest fel. Apoi întreabă: „dar de unde cheltuiala de energie care provoacă fricțiunea și care trebuie să fie ea însăși contabilă?”

Pentru a răspunde la această întrebare, el se îndreaptă spre teoria mecanică a căldurii și continuă să sublinieze vag modul în care inima este ceea ce el numește o „pompă-forță”, care primește sânge și îl trimite către fiecare parte a corpului, așa cum a descoperit William Harvey , și care „acționează ca pistonul unui motor și este dependent de și, în consecință, datorită ciclului de nutriție și excreție care susține viața fizică sau organică”. Este probabil că McCulloh a modelat părți din acest argument pe cel al celebrului ciclu Carnot . În concluzie, el rezumă primul și al doilea argument al dreptului ca atare:

Orice lucru fizic fiind supus legii conservării energiei , rezultă că nicio acțiune fiziologică nu poate avea loc decât cu cheltuirea energiei derivate din alimente; de asemenea, faptul că un animal care efectuează lucrări mecanice trebuie să producă din aceeași cantitate de alimente mai puțină căldură decât unul care se abține de la efort, diferența fiind tocmai echivalentul căldurii cu cel al muncii.

Entropie negativă

În cartea din 1944 Ce este viața? , Fizicianul austriac Erwin Schrödinger , care în 1933 câștigase premiul Nobel pentru fizică , a teoretizat că viața - contrar tendinței generale dictate de a doua lege a termodinamicii , care afirmă că entropia unui sistem izolat tinde să crească - scade sau păstrează constantă entropia sa prin hrănirea cu entropie negativă. Problema organizării în sistemele vii în creștere în ciuda celei de-a doua legi este cunoscută sub numele de paradoxul Schrödinger. În nota sa la capitolul 6 din Ce este viața? cu toate acestea, Schrödinger remarcă asupra utilizării termenului de entropie negativă:

Permiteți-mi să spun mai întâi că, dacă aș fi îngrijit doar pentru ei [fizicienii], ar fi trebuit să las discuția să activeze energia gratuită . Este noțiunea mai familiară în acest context. Dar acest termen extrem de tehnic părea din punct de vedere lingvistic prea aproape de energie pentru a face cititorul mediu să fie viu în contrast cu cele două lucruri.

Aceasta, susține Schrödinger, este ceea ce diferențiază viața de alte forme de organizare a materiei . În această direcție, deși dinamica vieții poate fi susținută să meargă împotriva tendinței celei de-a doua legi, viața nu intră în niciun fel în conflict sau nu invalidează această lege, deoarece principiul că entropia poate crește sau rămâne constantă se aplică doar unui sistem închis care este izolat adiabatic, ceea ce înseamnă că nici o căldură nu poate intra sau ieși, iar procesele fizice și chimice care fac viața posibilă nu se produc în izolare adiabatică, adică sistemele vii sunt sisteme deschise. Ori de câte ori un sistem poate schimba fie căldură, fie materie cu mediul său, o scădere a entropiei sistemului respectiv este pe deplin compatibilă cu a doua lege.

Schrödinger a pus întrebarea: „Cum evită organismul viu degradarea?” Răspunsul evident este: „Mâncând, bând, respirând și (în cazul plantelor) asimilând”. În timp ce energia din nutrienți este necesară pentru a susține ordinea unui organism, Schrödinger a postulat, de asemenea, în mod previzibil, existența altor molecule la fel de necesare pentru crearea ordinii observate în organismele vii: „Darul uimitor al unui organism de a concentra un flux de ordine asupra sa și astfel a scăpa de decădere în haosul atomic - al ordinii de băut dintr-un mediu adecvat - pare a fi legat de prezența solidelor aperiodice ... "Acum știm că acest cristal" aperiodic "este ADN și că dispunerea sa neregulată este o formă de informație. "ADN-ul din nucleul celulei conține copia master a software-ului, în duplicat. Acest software pare să controleze prin specificarea unui algoritm sau a unui set de instrucțiuni, pentru crearea și menținerea întregului organism care conține celula."

ADN-ul și alte macromolecule determină ciclul de viață al unui organism: naștere, creștere, maturitate, declin și moarte. Nutriția este necesară, dar nu suficientă pentru a ține cont de creșterea dimensiunii, deoarece genetica este factorul de guvernare. La un moment dat, practic toate organismele declin în mod normal și mor chiar și în timp ce rămân în medii care conțin substanțe nutritive suficiente pentru a susține viața. Factorul de control trebuie să fie intern și nu substanțele nutritive sau lumina soarelui care acționează ca variabile exogene cauzale. Organismele moștenesc capacitatea de a crea structuri biologice unice și complexe; este puțin probabil ca acele capacități să fie reinventate sau predate fiecărei generații. Prin urmare, ADN-ul trebuie să fie operativ și ca cauză principală în această caracteristică. Aplicând perspectiva lui Boltzmann asupra celei de-a doua legi, schimbarea stării de la un aranjament de entropie mai probabil, mai puțin ordonat și mai mare la unul de probabilitate mai mică, mai multă ordine și entropie mai mică (așa cum se vede în ordonarea biologică) necesită o funcție de genul cunoscut al ADN-ului. Funcția aparentă de procesare a informației a ADN oferă o rezoluție a paradoxului Schrödinger pus de viață și cerința de entropie a celei de-a doua legi.

Energia liberă Gibbs și evoluția biologică

În ultimii ani, interpretarea termodinamică a evoluției în raport cu entropia a început să utilizeze conceptul de energie liberă Gibbs , mai degrabă decât entropia. Acest lucru se datorează faptului că procesele biologice de pe Pământ au loc la temperatură și presiune aproximativ constante, situație în care energia liberă a lui Gibbs este un mod deosebit de util de a exprima a doua lege a termodinamicii. Energia gratuită Gibbs este dată de:

Unde

Energie liberă Gibbs
entalpia a trecut într-un sistem termodinamic
temperatura absolută
entropie

Minimizarea energiei libere Gibbs este o formă a principiului energiei minime , care rezultă din principiul maximizării entropiei pentru sistemele închise. Mai mult, ecuația energiei libere Gibbs, sub formă modificată, poate fi utilizată pentru sistemele deschise atunci când termenii potențialului chimic sunt incluși în ecuația bilanțului energetic. Într-un manual popular din 1982, Principiile biochimiei , biochimistul american Albert Lehninger a susținut că ordinea produsă în interiorul celulelor pe măsură ce cresc și se împart este mai mult decât compensată de tulburarea pe care o creează în împrejurimile lor în cursul creșterii și divizării. Pe scurt, potrivit lui Lehninger, „Organismele vii își păstrează ordinea internă luând din mediul înconjurător energie liberă , sub formă de substanțe nutritive sau lumina soarelui, și returnând în împrejurimile lor o cantitate egală de energie ca și căldura și entropia”.

În mod similar, conform chimistului John Avery , din cartea sa din 2003 Teoria informației și evoluția , găsim o prezentare în care fenomenul vieții, inclusiv originea și evoluția sa, precum și evoluția culturală umană, își are baza în fundalul termodinamicii , mecanica statistică și teoria informației . Paradoxul (aparent) dintre cea de-a doua lege a termodinamicii și gradul ridicat de ordine și complexitate produs de sistemele vii, potrivit lui Avery, își are rezoluția „în conținutul informațional al energiei libere Gibbs care intră în biosferă din surse exterioare”. Presupunând că evoluția determină organismele spre un conținut de informații mai ridicat, Gregory Chaitin postulează că viața are proprietăți de informație reciprocă ridicată și de Tamvakis că viața poate fi cuantificată folosind metricele densității informațiilor reciproce, o generalizare a conceptului de biodiversitate .

Într-un studiu intitulat „Selecție naturală pentru cea mai mică acțiune” publicat în Proceedings of the Royal Society A. , Ville Kaila și Arto Annila de la Universitatea din Helsinki descriu modul în care procesul de selecție naturală responsabil pentru o astfel de creștere locală în ordine poate fi derivat matematic. direct din expresia ecuației legii a doua pentru sistemele deschise neechilibrate conectate. A doua lege a termodinamicii poate fi scrisă ca o ecuație a mișcării pentru a descrie evoluția, arătând modul în care selecția naturală și principiul celei mai mici acțiuni pot fi conectate prin exprimarea selecției naturale în termeni de termodinamică chimică. În această perspectivă, evoluția explorează posibile căi spre diferențele de nivel ale densității energetice și astfel crește cel mai rapid entropia. Astfel, un organism servește ca mecanism de transfer de energie, iar mutațiile benefice permit organismelor succesive să transfere mai multă energie în mediul lor.

Entropia și originea vieții

A doua lege a termodinamicii aplicate la originea vieții este o problemă mult mai complicată decât dezvoltarea viitoare, deoarece nu există un „model standard” al modului în care au apărut primele forme biologice de viață, ci doar o serie de ipoteze concurente. Problema este discutată în contextul abiogenezei , implicând o evoluție chimică graduală pre-darwiniană. În 1924, Alexander Oparin a sugerat că o „ supă primordială ” a furnizat suficientă energie pentru a genera forme de viață timpurii din molecule nevii . Omul de știință belgian Ilya Prigogine a fost distins cu Premiul Nobel în 1977 pentru o analiză în acest domeniu, iar una dintre contribuțiile sale principale a fost conceptul de sistem disipativ , care descrie termodinamica sistemelor deschise în stări de neechilibru. Un subiect conex este probabilitatea apariției vieții, care a fost discutat în mai multe studii, de exemplu de Russell Doolittle .

Evoluția ordinii, manifestată ca complexitate biologică, în sistemele vii și generarea ordinii în anumite sisteme non-vii a fost propusă pentru a se supune unui principiu fundamental comun numit „dinamica darwiniană”. Dinamica darwiniană a fost formulată luând în considerare mai întâi modul în care este generată ordinea microscopică în sistemele non-biologice relativ simple, care sunt departe de echilibrul termodinamic (de exemplu, tornade, uragane). Luarea în considerare a fost apoi extinsă la moleculele de ARN scurte, replicatoare , presupuse a fi similare celor mai vechi forme de viață din lumea ARN . S-a arătat că procesele care stau la baza generării de ordine în sistemele non-biologice și în reproducerea ARN sunt practic similare. Această abordare ajută la clarificarea relației dintre termodinamică și evoluție, precum și conținutul empiric al teoriei lui Darwin .

În 2009, fizicianul Karo Michaelian a publicat o teorie a disipării termodinamice pentru originea vieții în care se află moleculele fundamentale ale vieții; acizii nucleici, aminoacizii, glucidele (zaharurile) și lipidele sunt considerate a fi produse inițial ca structuri disipative microscopice (prin structurarea disipativă a Prigoginei) ca pigmenți la suprafața oceanului pentru a absorbi și disipa în căldură fluxul UVC al luminii solare care ajunge la Suprafața Pământului în timpul Arheanului, la fel ca și pigmenții organici din regiunea vizibilă de astăzi. Acești pigmenți UVC au fost formate prin structurarea disipativ fotochimice din molecule mai frecvente și mai simple precursoare , cum ar fi HCN și H 2 O sub UVC fondant luminii solare. Funcția termodinamică a pigmenților originali (moleculele fundamentale ale vieții) a fost de a crește producția de entropie a biosferei incipiente sub fluxul fotonic solar și aceasta, de fapt, rămâne cea mai importantă funcție termodinamică a biosferei de astăzi, dar acum în principal în regiunea vizibilă în care intensitățile fotonilor sunt mai mari și căile biosintetice sunt mai complexe, permițând sintetizarea pigmenților din lumina vizibilă cu energie mai mică în loc de lumina UVC care nu mai ajunge la suprafața Pământului.

Entropia și căutarea vieții extraterestre

În 1964, James Lovelock se număra printre un grup de oameni de știință solicitați de NASA să realizeze un sistem teoretic de detectare a vieții pentru a căuta viață pe Marte în timpul viitoarei misiuni spațiale. Când se gândea la această problemă, Lovelock s-a întrebat „cum putem fi siguri că viața marțiană, dacă există, se va dezvălui testelor bazate pe stilul de viață al Pământului?” Pentru Lovelock, întrebarea de bază a fost „Ce este viața și cum ar trebui să fie recunoscută?” Când a vorbit despre această problemă cu unii dintre colegii săi de la Jet Propulsion Laboratory , a fost întrebat ce va face pentru a-și căuta viața pe Marte. La aceasta, Lovelock a răspuns „aș căuta o reducere a entropiei, deoarece aceasta trebuie să fie o caracteristică generală a vieții”.

În 2013, Azua-Bustos și Vega au susținut că, ignorând tipurile de forme de viață care ar putea fi imaginate atât pe Pământ, cât și în alte părți ale Universului, toate ar trebui să împărtășească în comun atributul de scădere a entropiei lor interne în detrimentul energiei libere obținute din împrejurimi. Deoarece entropia permite cuantificarea gradului de tulburare într-un sistem, orice formă de viață prevăzută trebuie să aibă un grad de ordine mai mare decât mediul său imediat de susținere. Acești autori au arătat că, folosind singură analiza matematică fractală, ar putea cuantifica cu ușurință gradul de diferență de complexitate structurală (și deci entropie) a proceselor vii ca entități distincte separate de mediul lor abiotic similar. Această abordare poate permite detectarea în viitor a unor forme de viață necunoscute atât în ​​sistemul solar, cât și pe exoplanete descoperite recent, bazate pe nimic mai mult decât diferențiale de entropie ale seturilor de date complementare (morfologie, colorare, temperatură, pH, compoziție izotopică etc.).

Entropia în psihologie

Noțiunea de entropie ca tulburare a fost transferată de la termodinamică la psihologie de către psihiatrul polonez Antoni Kępiński , care a recunoscut că a fost inspirat de Erwin Schrödinger. În cadrul său teoretic conceput pentru a explica tulburările mentale ( teoria metabolismului informațional ), diferența dintre organismele vii și alte sisteme a fost explicată ca fiind capacitatea de a menține ordinea. Contrar materiei neînsuflețite, organismele mențin ordinea particulară a structurilor lor corporale și a lumilor interioare pe care le impun mediului înconjurător și le transmit noilor generații. Viața unui organism sau a unei specii încetează de îndată ce își pierde capacitatea. Menținerea acestei comenzi necesită un schimb continuu de informații între organism și împrejurimi. În organismele superioare, informațiile sunt dobândite în principal prin intermediul receptorilor senzoriali și sunt metabolizate în sistemul nervos . Rezultatul este acțiunea - o formă de mișcare , de exemplu locomoția , vorbirea , mișcarea internă a organelor, secreția hormonilor etc. Reacțiile unui organism devin un semnal informațional pentru alte organisme. Metabolismul informațional , care permite sistemelor vii să mențină ordinea, este posibil numai dacă există o ierarhie a valorii, deoarece semnalele care vin către organism trebuie structurate. La om, această ierarhie are trei niveluri, adică biologic, emoțional și sociocultural. Kępiński a explicat cum diferite tulburări mentale sunt cauzate de distorsiunile acestei ierarhii și că revenirea la sănătatea mintală este posibilă prin refacerea acesteia.

Ideea a fost continuată de Struzik, care a propus ca teoria metabolismului informațional al lui Kępiński să fie văzută ca o extensie a principiului informației de negentropie a lui Léon Brillouin . În 2011, noțiunea de „entropie psihologică” a fost reintrodusă psihologilor de către Hirsh și colab. În mod similar cu Kępiński, acești autori au remarcat că gestionarea incertitudinii este o abilitate critică pentru orice organism. Incertitudinea, care rezultă din cauza conflictului dintre concurente perceptive si comportamentale affordances , este experimentat în mod subiectiv ca anxietatea . Hirsh și colaboratorii săi au propus că atât domeniile perceptive, cât și cele comportamentale pot fi conceptualizate ca distribuții de probabilitate și că cantitatea de incertitudine asociată cu o anumită experiență perceptivă sau comportamentală poate fi cuantificată în termenii formulei de entropie a lui Claude Shannon .

Obiecții

Entropia este bine definită pentru sistemele de echilibru, astfel că s-au afirmat obiecții la extinderea celei de-a doua legi și a entropiei la sistemele biologice, mai ales că se referă la utilizarea sa pentru a susține sau a discredita teoria evoluției. Sistemele vii și într-adevăr multe alte sisteme și procese din univers funcționează departe de echilibru.

Cu toate acestea, entropia este bine definită mult mai larg pe baza probabilităților stărilor unui sistem, indiferent dacă sistemul este sau nu unul dinamic (pentru care echilibrul ar putea fi relevant). Chiar și în acele sisteme fizice în care echilibrul ar putea fi relevant, (1) sistemele vii nu pot persista izolat și (2) al doilea principiu al termodinamicii nu necesită ca energia liberă să fie transformată în entropie pe cea mai scurtă cale: organismele vii absorb energia din lumina soarelui sau de la compuși chimici cu conținut ridicat de energie și în cele din urmă returnează o parte a energiei în mediu ca entropie (în general sub formă de căldură și compuși cu energie liberă scăzută, cum ar fi apa și dioxidul de carbon).

O contribuție la această linie de studiu și o încercare de a rezolva aceste limite conceptuale au fost date de Ilya Prigogine pe parcursul tuturor cercetărilor sale, care l-au condus și la câștigarea Premiului Nobel în 1977. Una dintre contribuțiile sale majore a fost conceptul de disipativ sistem .

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

Vol. 2 pagini 1266-1269 IEEE

linkuri externe