Энтропия и жизнь

Исследования связи между термодинамической величиной энтропии и происхождением и эволюцией жизни начались примерно на рубеже 20-го века. В 1910 году американский историк Генри Адамс напечатал и распространил среди университетских библиотек и профессоров истории небольшой том «Письмо американским учителям истории», в котором предлагалась теория истории, основанная на втором законе термодинамики и принципе энтропии.

Книга 1944 года « Что такое жизнь?» лауреат Нобелевский по физике Эрвин Шредингер стимулировал дальнейшие исследования в этой области. В своей книге Шредингер первоначально заявил, что жизнь питается отрицательной энтропией, или негэнтропией, как ее иногда называют, но в более позднем издании поправился в ответ на жалобы и заявил, что истинным источником является свободная энергия . Более поздние работы ограничили обсуждение свободной энергией Гиббса , поскольку биологические процессы на Земле обычно происходят при постоянной температуре и давлении, например, в атмосфере или на дне океана, но не в обоих случаях в течение коротких периодов времени для отдельных организмов. . Количественное применение энтропийных балансов и энергетических соображений Гиббса к отдельным клеткам является одним из основополагающих принципов роста и метаболизма.

Идеи о взаимосвязи между энтропией и живыми организмами вдохновили гипотезы и предположения во многих контекстах, включая психологию, теорию информации , происхождение жизни и возможность внеземной жизни .

Ранние просмотры

В 1863 году Рудольф Клаузиус опубликовал свои известные мемуары « О концентрации лучей тепла и света и границах их действия» , в которых он обрисовал предварительные отношения, основанные на его собственных работах и ​​работах Уильяма Томсона (лорда Кельвина) , между живыми процессы и его недавно разработанная концепция энтропии. Основываясь на этом, одним из первых, кто высказал предположения о возможной термодинамической перспективе органической эволюции, был австрийский физик Людвиг Больцман . В 1875 году, основываясь на работах Клаузиуса и Кельвина, Больцман рассуждал:

Общая борьба за существование живых существ — это не борьба за сырье (для организмов это воздух, вода и почва, все они доступны в изобилии), не борьба за энергию, которая в изобилии существует в любом теле в виде тепла, а борьба за существование живых существ. борьба за [отрицательную] энтропию , которая становится доступной благодаря переходу энергии от горячего Солнца к холодной Земле .

В 1876 году американский инженер-строитель Ричард Сирс Маккало в своем «Трактате о механической теории тепла и ее применении к паровой машине» , который был одним из первых учебников по термодинамике, после разговора о законах физического мира утверждает, что «существуют ни одно из них не установлено на более прочной основе, чем два общих положения Джоуля и Карно , которые составляют основные законы нашего предмета». Затем Маккало показывает, что эти два закона можно объединить в одном выражении следующим образом:

$S=\int {dQ \over \tau }$

где

$S=$ энтропия

$dQ=$ дифференциальное количество тепла, передаваемое в термодинамическую систему

$\tau =$ абсолютная температура

Затем Маккалох заявляет, что применения этих двух законов, то есть того, что в настоящее время известно как первый закон термодинамики и второй закон термодинамики , бесчисленны:

Когда мы размышляем о том, как вообще физические явления связаны с тепловыми изменениями и отношениями, сразу становится очевидным, что существует немного (если вообще вообще есть) отраслей естествознания , которые в большей или меньшей степени не зависят от рассматриваемых великих истин. Поэтому неудивительно, что уже за короткий промежуток времени, не прошедшее еще ни одного поколения с тех пор, как механическая теория тепла была свободно принята, целые отрасли физической науки были революционны ею.

Маккалох приводит несколько, по его словам, «более интересных примеров» применения этих законов по степени и полезности. Его первым примером является физиология , где он утверждает, что «тело животного, не менее чем пароход или локомотив, представляет собой поистине тепловую машину , и потребление пищи в ней совершенно аналогично сжиганию топлива в в другом случае химический процесс один и тот же: процесс горения ». Затем он включает обсуждение теории дыхания Антуана Лавуазье с циклами пищеварения, выделения и потоотделения, но затем противоречит Лавуазье недавним открытиям, таким как внутреннее тепло, генерируемое трением , согласно новой теории тепла , которая, согласно Маккалоху утверждает, что «тепло тела в целом и равномерно рассеивается, а не концентрируется в груди». Затем Маккалох приводит пример второго закона, в котором утверждает, что трение, особенно в мелких кровеносных сосудах, должно вызывать выделение тепла. Несомненно, некоторая часть тепла, выделяемого животными, вырабатывается таким образом. Затем он спрашивает: «Но откуда расход энергии, вызывающий это трение, и который сам по себе должен быть учтен?»

Чтобы ответить на этот вопрос, он обращается к механической теории тепла и продолжает в общих чертах обрисовывать, почему сердце является тем, что он называет «силовым насосом», который получает кровь и отправляет ее во все части тела, как это открыл Уильям Харви. , и который «действует как поршень двигателя и зависит и, следовательно, обусловлен циклом питания и выделения, который поддерживает физическую или органическую жизнь». Вполне вероятно, что Маккало частично смоделировал этот аргумент на основе знаменитого цикла Карно . В заключение он резюмирует свои аргументы по первому и второму законам следующим образом:

Поскольку все физическое подчиняется закону сохранения энергии , отсюда следует, что никакое физиологическое действие не может происходить иначе, как с затратой энергии, полученной из пищи; также, что животное, выполняющее механическую работу , должно от одного и того же количества пищи выделять меньше тепла, чем животное, воздерживающееся от напряжения, причем разница составляет именно тепловой эквивалент теплоты работы.

Отрицательная энтропия

В книге 1944 года « Что такое жизнь?» Австрийский физик Эрвин Шредингер , получивший в 1933 году Нобелевскую премию по физике , выдвинул теорию, что жизнь – вопреки общей тенденции, диктуемой вторым законом термодинамики , который гласит, что энтропия изолированной системы имеет тенденцию увеличиваться – уменьшается или сохраняется. постоянная его энтропия, питаясь отрицательной энтропией. Проблема организации живых систем, возрастающая вопреки второму закону, известна как парадокс Шрёдингера. В примечании к главе 6 книги « Что такое жизнь?» Однако Шредингер отмечает использование им термина «отрицательная энтропия»:

Прежде всего позвольте мне сказать, что если бы я обслуживал только их [физиков], я бы вместо этого позволил дискуссии перейти к свободной энергии . Это более знакомое понятие в данном контексте. Но этот весьма технический термин казался лингвистически слишком близким к энергии , чтобы дать среднему читателю почувствовать контраст между двумя вещами.

Именно это, утверждает Шрёдингер, и отличает жизнь от других форм организации материи . В этом направлении, хотя можно утверждать, что динамика жизни идет вразрез с тенденцией второго закона, жизнь никоим образом не противоречит этому закону и не делает его недействительным, поскольку принцип, согласно которому энтропия может только увеличиваться или оставаться постоянной, применим только к закрытой системе. которая адиабатически изолирована, что означает, что тепло не может проникать или выходить, а физические и химические процессы, которые делают жизнь возможной, не происходят в адиабатической изоляции, то есть живые системы являются открытыми системами. Всякий раз, когда система может обмениваться с окружающей средой теплом или веществом, уменьшение энтропии этой системы полностью совместимо со вторым законом.

Шрёдингер задал вопрос: «Как живому организму избежать распада?» Очевидный ответ: «Едой, питьем, дыханием и (в случае растений) усваиванием». Хотя энергия питательных веществ необходима для поддержания порядка в организме, Шрёдингер также прозорливо постулировал существование других молекул, столь же необходимых для создания порядка, наблюдаемого в живых организмах: «Удивительный дар организма концентрировать поток порядка на себе и таким образом избегать распада». в атомный хаос – выпивание упорядоченности из подходящей среды – по-видимому, связано с присутствием апериодических твердых тел...» Теперь мы знаем, что этот «апериодический» кристалл представляет собой ДНК , и что его нерегулярное расположение является формой информации. «ДНК в ядре клетки содержит мастер-копию программного обеспечения в двух экземплярах. Похоже, что это программное обеспечение управляет, определяя алгоритм или набор инструкций для создания и поддержания всего организма, содержащего клетку».

ДНК и другие макромолекулы определяют жизненный цикл организма: рождение, рост, зрелость, упадок и смерть. Питание необходимо, но недостаточно для увеличения размеров, поскольку генетика определяющим фактором является . В какой-то момент практически все организмы обычно приходят в упадок и умирают, даже оставаясь в среде, содержащей достаточно питательных веществ для поддержания жизни. Контролирующий фактор должен быть внутренним, а не питательными веществами или солнечным светом, выступающими в качестве причинных экзогенных переменных. Организмы наследуют способность создавать уникальные и сложные биологические структуры; маловероятно, что эти способности будут изобретены заново или будут преподаваться каждому поколению. Следовательно, ДНК должна выступать в качестве первопричины и в этой характеристике. Применяя точку зрения Больцмана на второй закон, изменение состояния от более вероятного, менее упорядоченного и более высокой энтропии к состоянию с меньшей вероятностью, большим порядком и более низкой энтропией (как это видно в биологическом упорядочении) требует такой функции известно о ДНК. Очевидная функция ДНК по обработке информации обеспечивает разрешение парадокса Шрёдингера, связанного с жизнью, и требования энтропии второго закона.

и

В последние годы термодинамическая интерпретация эволюции в связи с энтропией начала использовать концепцию свободной энергии Гиббса , а не энтропии. Это связано с тем, что биологические процессы на Земле происходят при примерно постоянных температуре и давлении, и в этой ситуации свободная энергия Гиббса является особенно полезным способом выражения второго закона термодинамики. Свободная энергия Гиббса определяется выражением:

$\Delta G\equiv \Delta H-T\,\Delta S$

где

$G=$ Свободная энергия Гиббса

$H=$ энтальпия перешла в термодинамическую систему

$T=$ абсолютная температура системы

$S=$ энтропия

а эксергия и свободная энергия Гиббса эквивалентны, если температура окружающей среды и системы эквивалентны. В противном случае свободная энергия Гиббса будет меньше эксергии (для систем с температурой выше окружающей). Минимизация свободной энергии Гиббса является формой принципа минимума энергии (минимальной «свободной» энергии или эксергии), который следует из принципа максимизации энтропии для закрытых систем. Более того, уравнение свободной энергии Гиббса в модифицированной форме может использоваться для открытых систем , включая ситуации, когда члены химического потенциала включены в уравнение энергетического баланса. В популярном учебнике 1982 года «Принципы биохимии » известный американский биохимик Альберт Ленинджер утверждал, что порядок, создаваемый внутри клеток по мере их роста и деления, с лихвой компенсируется беспорядком, который они создают в окружающей среде в ходе роста и деления. Короче говоря, по Ленингеру, «живые организмы сохраняют свой внутренний порядок, забирая из окружающей среды свободную энергию. в виде питательных веществ или солнечного света и возвращают в окружающую среду равное количество энергии в виде тепла и энтропии».

Точно так же, по словам химика Джона Эйвери , в его книге « Теория информации и эволюция» 2003 года мы находим представление, в котором феномен жизни, включая ее происхождение и эволюцию, а также культурную эволюцию человека, имеет свою основу на фоне термодинамики . , статистическая механика и теория информации . (Очевидный) парадокс между вторым законом термодинамики и высокой степенью порядка и сложности, создаваемой живыми системами, по мнению Эйвери, имеет свое разрешение «в информационном содержании свободной энергии Гиббса, которая поступает в биосферу из внешних источников». постулирует Предполагая, что эволюция ведет организмы к более высокому содержанию информации, Грегори Чайтин , что жизнь обладает свойствами высокой взаимной информации. и Тамвакис утверждает, что жизнь может быть определена количественно с использованием показателей плотности взаимной информации, что является обобщением концепции биоразнообразия .

В исследовании под названием «Естественный отбор по наименьшему действию», опубликованном в Трудах Королевского общества А. , Вилле Кайла и Арто Аннила из Хельсинкского университета описывают, как процесс естественного отбора, ответственный за такое локальное увеличение порядка, может быть выведен математически. непосредственно из выражения уравнения второго закона для связанных неравновесных открытых систем. Второй закон термодинамики можно записать в виде уравнения движения для описания эволюции, показывающего, как естественный отбор и принцип наименьшего действия могут быть связаны между собой, выражая естественный отбор в терминах химической термодинамики. С этой точки зрения эволюция исследует возможные пути выравнивания различий в плотности энергии и, таким образом, наиболее быстрого увеличения энтропии. Таким образом, организм служит механизмом передачи энергии, а полезные мутации позволяют последующим организмам передавать больше энергии в окружающую среду.

второго

Анализ второго закона ценен в научном и инженерном анализе, поскольку он дает ряд преимуществ по сравнению с одним только энергетическим анализом, включая основу для определения качества энергии (или содержания эксергии). ), понимание фундаментальных физических явлений, улучшение оценки и оптимизации производительности или углубление нашего понимания живых систем.

Второй закон описывает универсальную тенденцию к беспорядку и единообразию или внутреннему и внешнему равновесию. Это означает, что реальные, неидеальные процессы вызывают производство энтропии. Энтропия также может передаваться в систему или из нее посредством потока или переноса материи и энергии. В результате производство энтропии не обязательно приводит к увеличению энтропии системы. Фактически, энтропия или беспорядок в системе могут самопроизвольно уменьшаться, как, например, при охлаждении авиационного газотурбинного двигателя после остановки или как вода в чашке, оставленной снаружи при минусовых зимних температурах. В последнем случае относительно неупорядоченная жидкость охлаждается и самопроизвольно замерзает, образуя кристаллическую структуру с уменьшенным беспорядком, когда молекулы «слипаются» вместе. Важно отметить, что, хотя энтропия системы уменьшается, система приближается к однородности или становится более термодинамически похожей на свое окружение. Это процесс категории III, относящийся к четырем комбинациям энтропии (S) вверх или вниз и однородности (Y) между системой и ее окружением – либо вверх, либо вниз.

Четыре категории процессов с увеличением или уменьшением энтропии и увеличением или уменьшением однородности.

Второй закон можно концептуально сформулировать следующим образом: Материя и энергия имеют тенденцию достигать состояния однородности или внутреннего и внешнего равновесия, состояния максимального беспорядка (энтропии). Реальные неравновесные процессы всегда производят энтропию, вызывая усиление беспорядка во Вселенной, в то время как идеализированные обратимые процессы не производят энтропии, и неизвестно, что существует какой-либо процесс, разрушающий энтропию. Тенденции системы к единообразию можно противодействовать, и система может стать более упорядоченной или сложной за счет сочетания двух вещей: источника работы или энергии и некоторой формы обучения или интеллекта. Где «эксергия» означает тепловой, механический, электрический или химический рабочий потенциал источника энергии или потока, а «инструкция или интеллект» понимается в контексте или характеризуется набором процессов, относящихся к категории IV.

В качестве примера процесса категории IV рассмотрим роботизированное производство и сборку автомобилей на заводе. Роботизированное оборудование требует выполнения электрических работ и инструкций, но после завершения произведенная продукция становится менее однородной по отношению к окружающей среде или более сложной (более высокий порядок) по сравнению с сырьем, из которого она была изготовлена. Таким образом, энтропия или беспорядок системы уменьшается, в то время как тенденция к единообразию между системой и ее окружением противодействует. В этом примере инструкции, а также источник работы могут быть внутренними или внешними по отношению к системе, и они могут пересекать или не пересекать границу системы. Например, инструкции могут быть предварительно закодированы, а электротехнические работы могут храниться в системе хранения энергии на месте. Альтернативно, управление оборудованием может осуществляться дистанционно по сети связи, тогда как электроэнергия подается на завод из местной электросети. Кроме того, люди могут полностью или частично напрямую играть ту роль, которую роботизированное оборудование играет в производстве. В этом случае могут иметь место инструкции, но интеллект несет либо прямую, либо косвенную ответственность за направление или применение работы таким образом, чтобы противодействовать тенденции к беспорядку и единообразию.

В качестве другого примера рассмотрим охлаждение воды в теплой среде. Благодаря охлаждению тепло извлекается или принудительно отводится из воды. В результате температура и энтропия воды уменьшаются, и система все дальше отходит от однородности с теплым окружением. Важным моментом является то, что охлаждение требует не только источника работы, но и специально разработанного оборудования, а также предварительно запрограммированных или прямых оперативных данных или инструкций для достижения желаемого эффекта охлаждения.

Колибри в полете.

Наблюдение является основой понимания того, что процессы категории IV требуют как источника эксергии, так и источника или формы интеллекта или инструкций. Что касается живых систем, солнечный свет обеспечивает источник энергии практически для всей жизни на Земле, т.е. солнечный свет непосредственно (для флоры) или косвенно в пище (для фауны). Обратите внимание, что рабочий потенциал или эксергия солнечного света при определенном спектральном и направленном распределении будет иметь определенное значение. это может быть выражено в процентах от потока энергии или содержания эксергии. Как и Земля в целом, живые существа используют эту энергию, преобразуя ее в другие формы (первый закон), производя при этом энтропию (второй закон) и тем самым ухудшая эксергию или качество энергии. Например, поддержание жизни или рост семени требует постоянного объединения атомов и молекул в сложные сборки, необходимые для дублирования живых клеток. Эта сборка в живых организмах уменьшает однородность и беспорядок, противодействуя универсальной тенденции к беспорядку и единообразию, описываемой вторым законом. В дополнение к высококачественному источнику энергии, противодействие этой тенденции требует формы инструкций или интеллекта, которые содержатся в первую очередь в ДНК/ РНК .

При отсутствии инструкций или интеллекта высококачественной энергии самой по себе недостаточно для создания сложных конструкций, таких как дом. В качестве примера категории I, в отличие от IV, хотя и обладая большим количеством энергии или эксергии, второй торнадо никогда не восстановит город, разрушенный предыдущим торнадо, вместо этого он увеличивает беспорядок и единообразие (категория I), сама тенденция описывается вторым законом. Связанная с этим линия рассуждений заключается в том, что, хотя это и невероятно, но в течение миллиардов лет или триллионов шансов, возникла ли жизнь ненаправленно, из неживой материи в отсутствие какого-либо разума? Связанные вопросы, которые кто-то может задать, включают: могут ли люди с запасом пищи (эксергии) жить без ДНК/РНК, или может ли дом, снабжаемый электричеством, быть построен в лесу без людей или источника инструкций или программирования, или может ли холодильник работать на электричестве, но без работающего компьютера платы управления?

Второй закон гарантирует, что если мы построим дом, то со временем он будет иметь тенденцию разваливаться или приходить в состояние беспорядка. С другой стороны, если, прогуливаясь по лесу, мы обнаруживаем дом, мы, скорее всего, придем к выводу, что его кто-то построил, а не к выводу, что порядок возник случайно. Мы знаем, что живые системы, такие как структура и функция живой клетки или процесс сборки/складывания белка, чрезвычайно сложны. Могла ли жизнь возникнуть без управления источником разума – и, следовательно, со временем привести к появлению таких вещей, как человеческий мозг и его интеллект, компьютеры, города, качество любви и создание музыки или изобразительного искусства? Тенденция второго закона к беспорядку и единообразию и выделение процессов категории IV как противодействующих этой естественной тенденции. предлагает нам ценную информацию, которую мы можем принять во внимание в поисках ответов на эти вопросы.

Энтропия отдельных ячеек

Балансировка энтропии

Баланс энтропии для открытой системы или изменение энтропии с течением времени для системы в устойчивом состоянии можно записать как:

${\frac {dS}{dT}}={\frac {\dot {Q}}{T}}+\sum _{B}S_{B}\cdot dn_{B}+\delta S_{gen}$

Предполагая устойчивое состояние системы, примерно стабильные условия давления и температуры и обмен только через поверхности клеток, это выражение можно переписать, чтобы выразить баланс энтропии для отдельной ячейки, как:

${\frac {dS}{dT}}={\frac {\dot {Q}}{T}}+\sum _{B}S_{B}\cdot {\dot {n}}_{B}-S_{X}\cdot |{\dot {n}}_{X}|+{\dot {S}}_{gen}=0$

Где

${\frac {\dot {Q}}{T}}=$ теплообмен с окружающей средой

$S_{B}=$ частичная молярная энтропия метаболита B

$S_{X}=$ частичная молярная энтропия структур, возникающих в результате роста

${\dot {S}}_{gen}=$ скорость производства энтропии

и ${\dot {n}}$ термины указывают курсы обмена с окружающей средой.

Это уравнение можно адаптировать для описания баланса энтропии клетки, что полезно для согласования спонтанности роста клеток с интуицией о том, что развитие сложных структур должно в целом снижать энтропию внутри клетки. Из второго закона ${\dot {S}}_{gen}>0$; благодаря внутренней организации, возникшей в результате роста, $S_{X}$ будет небольшим. Метаболические процессы вынуждают сумму оставшихся двух членов быть меньше нуля либо из-за большой скорости теплопередачи, либо из-за экспорта отходов с высокой энтропией. Оба механизма предотвращают накопление избыточной энтропии внутри растущей клетки; последнее - это то, что Шрёдингер описал как питающееся отрицательной энтропией, или «негэнтропией».

Последствия для метаболизма

Фактически, этот вклад «негэнтропии» может быть достаточно большим, чтобы рост был полностью эндотермическим или фактически отводил тепло из окружающей среды. Этот тип обмена веществ, при котором ацетат, метанол или ряд других углеводородных соединений превращаются в метан (высокоэнтропийный газ), известен как ацетокластический метаногенез; Одним из примеров является метаболизм анаэробных архебактерий Methanosarcina barkeri . Противоположной крайностью является метаболизм анаэробных термофильных архебактерий Methanobacterium thermoautotropicum , для которого тепло выводится в окружающую среду через ${\ce {CO_2}}$ фиксация высок (~3730 кДж/Кл-моль).

Как правило, в метаболических процессах спонтанные катаболические процессы, которые разрушают биомолекулы, обеспечивают энергию для запуска неспонтанных анаболических реакций, которые создают организованную биомассу из реагентов с высокой энтропией. Таким образом, выход биомассы определяется балансом между связанными катаболическими и анаболическими процессами, причем взаимосвязь между этими процессами можно описать следующим образом:

$\Delta _{r}G_{s}=(1-Y_{X/S})\Delta G_{catabolism}+Y_{X/S}\Delta G_{anabolism}$

где

$\Delta _{r}G_{s}=$ Полная движущая сила реакции/общая молярная энергия Гиббса

$Y_{X/S}=$ произведенная биомасса

$\Delta G_{catabolism}=$ Энергия Гиббса катаболических реакций (-)

$\Delta G_{anabolism}=$ Энергия Гиббса анаболических реакций (+)

Организмы должны поддерживать некоторый оптимальный баланс между $\Delta _{r}G_{s}$ и $Y_{X/S}$ чтобы оба избежать термодинамического равновесия ( $\Delta _{r}G_{s}=0$), при котором производство биомассы теоретически будет максимальным, но метаболизм будет происходить с бесконечно медленной скоростью, и противоположный предельный случай, при котором рост очень благоприятный ( $\Delta _{r}G_{s}<<0$), но выход биомассы непомерно низок. Эту связь лучше всего описать в общих чертах, и она будет широко варьироваться от организма к организму. Поскольку условия, соответствующие катаболическому и анаболическому вкладу, в первом сценарии были бы примерно сбалансированы, этот случай представляет собой максимальное количество организованного вещества, которое может быть произведено в соответствии со 2-м законом термодинамики для очень обобщенной метаболической системы.

Энтропия и происхождение жизни

Второй закон термодинамики, примененный к происхождению жизни, представляет собой гораздо более сложный вопрос, чем дальнейшее развитие жизни, поскольку не существует «стандартной модели» возникновения первых биологических форм жизни, а есть лишь ряд конкурирующих гипотез. Проблема обсуждается в контексте абиогенеза , подразумевающего постепенную додарвиновскую химическую эволюцию.

с

В 1924 году Александр Опарин предположил, что достаточно энергии для создания ранних форм жизни из неживых молекул содержится в « первичном супе ». Законы термодинамики накладывают некоторые ограничения на самые ранние реакции поддержания жизни, которые могли бы возникнуть и развиться из такой смеси. По сути, чтобы оставаться в соответствии со вторым законом термодинамики, самоорганизующиеся системы, которые характеризуются более низкими значениями энтропии, чем равновесие, должны рассеивать энергию, чтобы увеличить энтропию во внешней среде. Одним из последствий этого является то, что химические промежуточные соединения с низкой энтропией или высоким химическим потенциалом не могут достигать очень высоких уровней, если реакция, ведущая к их образованию, не связана с другой химической реакцией, которая высвобождает энергию. Эти реакции часто принимают форму окислительно-восстановительных пар , которые, должно быть, были предоставлены окружающей средой во время зарождения жизни. В современной биологии для протекания многих из этих реакций требуются катализаторы (или ферменты ), которые часто содержат переходные металлы. Это означает, что идентификация как окислительно-восстановительных пар, так и металлов, которые легко доступны в данной среде-кандидате для абиогенеза, является важным аспектом пребиотической химии.

Идея о том, что необходимо выявить процессы, которые могут происходить естественным образом в окружающей среде и локально уменьшать энтропию, применялась при изучении роли фосфатов в зарождении жизни, где соответствующей средой для абиогенеза является ранняя земная озерная среда. Одним из таких процессов является способность фосфата избирательно концентрировать реагенты благодаря его локализованному отрицательному заряду.

В контексте гипотезы происхождения жизни о щелочных гидротермальных источниках (AHV) было предложено рассматривать формы жизни как «генераторы энтропии» в попытке разработать основу абиогенеза в щелочных глубоководных условиях. Если предположить, что жизнь развивается быстро при определенных условиях, эксперименты могут быть в состоянии воссоздать первый метаболический путь, поскольку он будет наиболее энергетически выгодным и, следовательно, вероятным. В этом случае первыми катализаторами могли выступать сульфидные соединения железа. Следовательно, в более широком понимании жизни как преобразователей свободной энергии в конечном итоге было бы полезно количественно охарактеризовать такие величины, как производство энтропии и скорости диссипации градиента протонов, для систем, имеющих отношение к зарождению жизни (особенно AHV).

Другие теории

Было высказано предположение, что эволюция порядка, проявляющаяся как биологическая сложность, в живых системах и возникновение порядка в некоторых неживых системах подчиняются общему фундаментальному принципу, называемому «дарвиновской динамикой». Дарвиновская динамика была сформулирована путем рассмотрения того, как создается микроскопический порядок в относительно простых небиологических системах, далеких от термодинамического равновесия (например, торнадо, ураганы). Затем рассмотрение было расширено до коротких, реплицирующихся молекул РНК, которые, как предполагалось, были похожи на самые ранние формы жизни в мире РНК . Было показано, что лежащие в основе процессов формирования порядка в небиологических системах и в реплицирующейся РНК в основном схожи. Этот подход помогает прояснить связь термодинамики с эволюцией, а также эмпирическое содержание теории Дарвина .

В 2009 году физик Каро Михаэлян опубликовал термодинамическую теорию диссипации происхождения жизни. в которых заложены фундаментальные молекулы жизни; Считается, что нуклеиновые кислоты, аминокислоты, углеводы (сахара) и липиды изначально были созданы как микроскопические диссипативные структуры (посредством диссипативного структурирования Пригожина). ) в качестве пигментов на поверхности океана, поглощающих и рассеивающих в виде тепла поток UVC солнечного света, приходящего на поверхность Земли во время архея, точно так же, как это делают органические пигменты в видимой области сегодня. Эти УФ-пигменты были сформированы посредством фотохимического диссипативного структурирования из более распространенных и простых молекул-предшественников, таких как HCN и H ₂ O, под действием УФ-потока солнечного света. Термодинамическая функция первоначальных пигментов (фундаментальных молекул жизни) заключалась в увеличении производства энтропии зарождающейся биосферы под действием потока солнечных фотонов, и это, по сути, остается важнейшей термодинамической функцией биосферы и сегодня, но теперь главным образом в видимая область, где интенсивность фотонов выше, а пути биосинтеза более сложны, что позволяет синтезировать пигменты из видимого света более низкой энергии вместо УФ-излучения, которое больше не достигает поверхности Земли.

Джереми Ингланд разработал гипотезу физики происхождения жизни, которую он называет «адаптацией, обусловленной диссипацией». Гипотеза утверждает, что случайные группы молекул могут самоорганизовываться, чтобы более эффективно поглощать и рассеивать тепло из окружающей среды. Его гипотеза утверждает, что такие самоорганизующиеся системы являются неотъемлемой частью физического мира.

типы энтропии и их использование в

Как и термодинамическая система, информационная система имеет понятие, аналогичное энтропии, называемое информационной энтропией . Здесь энтропия является мерой увеличения или уменьшения новизны информации. Потоки новой информации демонстрируют знакомую картину. Они имеют тенденцию увеличивать или уменьшать количество возможных результатов точно так же, как меры термодинамической энтропии увеличивают или уменьшают пространство состояний. Как и термодинамическая энтропия, информационная энтропия использует логарифмическую шкалу: –P(x) log P(x), где P – вероятность некоторого результата x. Снижение информационной энтропии связано с меньшим количеством возможных результатов в информационной системе.

В 1984 году Брукс и Уайли представили концепцию энтропии вида как меры суммы снижения энтропии внутри популяций видов по отношению к свободной энергии в окружающей среде. Энтропия Брукса-Уайли рассматривает три категории изменений энтропии: информацию, сплоченность и метаболизм. Информационная энтропия здесь измеряет эффективность генетической информации при регистрации всех возможных комбинаций наследственности, которые присутствуют. Энтропия сплоченности рассматривает сексуальные связи внутри популяции. Метаболическая энтропия — это известная химическая энтропия, используемая для сравнения популяции с ее экосистемой. Сумма этих трех является мерой неравновесной энтропии, которая управляет эволюцией на уровне популяции.

В статье Хелмана в Acta Biotheoretica, опубликованной в 2022 году , предлагается определить меру расхождения этих трех типов энтропии: термодинамической энтропии, информационной энтропии и видовой энтропии. Там, где эти три переопределены, возникает формальная свобода, аналогичная тому, как хиральность возникает из минимального числа измерений. Если, например, в молекуле, имеющей центральный атом, есть хотя бы четыре точки для атомов, возможны левый и правый энантиомеры. По аналогии, как только в живых системах будет достигнут порог переопределения энтропии, появится внутреннее пространство состояний, позволяющее упорядочить операции системы. Этот внутренний процесс упорядочения является порогом для различения живых и неживых систем.

Энтропия и поиск внеземной жизни

В 1964 году Джеймс Лавлок был среди группы ученых, которых НАСА попросило создать теоретическую систему обнаружения жизни для поиска жизни на Марсе во время предстоящих миссий «Викинг» . Серьезной проблемой было определение того, как построить тест, который выявил бы наличие внеземной жизни со значительными отличиями от биологии, какой мы ее знаем. Рассматривая эту проблему, Лавлок задал два вопроса: «Как мы можем быть уверены, что марсианский образ жизни, если таковой имеется, проявится в ходе испытаний, основанных на земном образе жизни?», а также более сложный основополагающий вопрос: «Что есть жизнь, и как ее следует признать?»

Поскольку эти идеи противоречили более традиционным подходам, предполагающим, что биологические признаки на других планетах будут выглядеть так же, как на Земле, при обсуждении этого вопроса с некоторыми из своих коллег из Лаборатории реактивного движения его спросили, что он будет делать в поисках жизни. вместо этого на Марсе. На это Лавлок ответил: «Я бы искал уменьшения энтропии, поскольку это должно быть общей характеристикой жизни». Эту идею, пожалуй, лучше сформулировать как поиск устойчивых химических неравновесий, связанных с состояниями с низкой энтропией, возникающими в результате биологических процессов, и в результате дальнейшего сотрудничества она превратилась в гипотезу о том, что биосигнатуры можно будет обнаружить путем изучения состава атмосферы. Лавлок, изучая атмосферу Земли, определил, что этот показатель действительно может выявить наличие жизни. Это привело к тому, что Марс, скорее всего, был безжизненным, поскольку в его атмосфере отсутствуют такие аномальные признаки.

Недавно эта работа была расширена и стала основой для обнаружения биосигнатур в экзопланетных атмосферах. По сути, обнаружение множества газов, которые обычно не находятся в стабильном равновесии друг с другом в атмосфере планеты, может указывать на биотическое производство одного или нескольких из них таким образом, что не требует предположений о точных биохимических реакциях, которые может использовать или использовать внеземная жизнь. конкретные продукты, которые будут получены. Наземным примером является сосуществование метана и кислорода, которые в конечном итоге истощились бы, если бы не непрерывное биогенное производство. Степень неравновесия можно описать путем различия наблюдаемой энергии Гиббса и равновесного состояния для данного состава атмосферы; можно показать, что на эту величину напрямую влияло наличие жизни на протяжении всей истории Земли. Получение изображений экзопланет будущими наземными и космическими телескопами обеспечит наблюдательные ограничения на состав атмосферы экзопланет, к которым может быть применен этот подход.

Но есть оговорка, связанная с тем, что химическое неравновесие может служить антибиосигнатурой в зависимости от контекста. Фактически, до возникновения жизни на ранней Земле, вероятно, существовало сильное химическое неравновесие из-за сочетания продуктов устойчивого вулканического выделения газа и океанического водяного пара. В этом случае нарушение равновесия было результатом отсутствия организмов, способных метаболизировать полученные соединения. Этот дисбаланс фактически будет уменьшен за счет присутствия хемотрофной жизни, которая удалит эти атмосферные газы и создаст больше термодинамического равновесия до появления фотосинтетических экосистем.

В 2013 году Азуа-Бустос и Вега утверждали, что, независимо от типов форм жизни, которые можно представить как на Земле, так и в других частях Вселенной, все они должны иметь общее свойство уменьшения своей внутренней энтропии за счет свободной энергии, получаемой из окружающей среды. . Поскольку энтропия позволяет количественно оценить степень беспорядка в системе, любая предполагаемая форма жизни должна иметь более высокую степень порядка, чем ее непосредственная поддерживающая среда. Эти авторы показали, что, используя только фрактальный математический анализ, они могут легко количественно оценить степень различия в структурной сложности (и, следовательно, энтропии) живых процессов как отдельных сущностей, отделенных от аналогичного абиотического окружения. Этот подход может позволить в будущем обнаруживать неизвестные формы жизни как в Солнечной системе, так и на недавно открытых экзопланетах, основываясь не более чем на разнице энтропии дополнительных наборов данных (морфология, окраска, температура, pH, изотопный состав и т. д.).

Энтропия в психологии

Понятие энтропии как беспорядка было перенесено из термодинамики в психологию польским психиатром Антонием Кемпинским , который признался, что его вдохновил Эрвин Шредингер. В его теоретической базе, призванной объяснить психические расстройства ( теория информационного метаболизма ), отличие живых организмов от других систем объяснялось способностью поддерживать порядок. В отличие от неживой материи, организмы сохраняют особый порядок своих телесных структур и внутреннего мира, который они навязывают своему окружению и передают новым поколениям. Жизнь организма или вида прекращается, как только он утрачивает эту способность. Поддержание этого порядка требует постоянного обмена информацией между организмом и его окружением. У высших организмов информация усваивается преимущественно через сенсорные рецепторы и метаболизируется в нервной системе . Результатом является действие – некоторая форма движения , например передвижение , речь, внутреннее движение органов, секреция гормонов и т. д. Реакции одного организма становятся информационным сигналом для других организмов. Информационный метаболизм , позволяющий живым системам поддерживать порядок, возможен только при наличии ценностной иерархии, поскольку сигналы, поступающие в организм, должны быть структурированы. У людей эта иерархия имеет три уровня: биологический, эмоциональный и социокультурный. Кемпинский объяснил, как различные психические расстройства вызываются искажениями этой иерархии и что возвращение к психическому здоровью возможно через его восстановление.

Эту идею продолжил Струзик, который предположил, что теорию информационного метаболизма Кемпинского можно рассматривать как расширение Леона Бриллюэна принципа негэнтропии информации . В 2011 году понятие «психологической энтропии» было вновь представлено психологам Хиршем и др. Как и Кемпински, эти авторы отметили, что управление неопределенностью является важнейшей способностью для любого организма. Неопределенность, возникающая из-за конфликта между конкурирующими перцептивными и поведенческими возможностями , субъективно переживается как тревога . Хирш и его коллеги предположили, что как перцептивную, так и поведенческую области можно концептуализировать как распределения вероятностей и что степень неопределенности, связанной с данным перцептивным или поведенческим опытом, можно выразить количественно с помощью формулы энтропии Клода Шеннона .

Возражения

Энтропия четко определена для равновесных систем, поэтому были высказаны возражения против распространения второго закона и энтропии на биологические системы, особенно в том, что касается его использования для поддержки или дискредитации теории эволюции. Живые системы, как и многие другие системы и процессы во Вселенной, функционируют далеко от равновесия.

Однако энтропия четко определяется в гораздо более широком смысле на основе вероятностей состояний системы, независимо от того, является ли система динамической (для которой может иметь значение равновесие). Даже в тех физических системах, где равновесие может иметь значение, (1) живые системы не могут существовать изолированно, и (2) второй принцип термодинамики не требует, чтобы свободная энергия трансформировалась в энтропию по кратчайшему пути: живые организмы поглощают энергию из солнечного света или богатых энергией химических соединений и, наконец, возвращают часть такой энергии в окружающую среду в виде энтропии (обычно в форме тепла и соединений с низкой свободной энергией, таких как вода и углекислый газ).

Бельгийский учёный Илья Пригожин на протяжении всех своих исследований вносил вклад в это направление исследований и пытался преодолеть эти концептуальные ограничения, получив Нобелевскую премию в 1977 году. Одним из его главных вкладов была концепция диссипативной системы , которая описывает термодинамику. открытых систем в неравновесных состояниях.

См. также

• Абиогенез
• Адаптивная система
• Сложные системы
• Диссипативная система
• Экологическая энтропия - мера биоразнообразия при изучении биологической экологии.
• Эктропия - мера склонности динамической системы выполнять полезную работу и становиться более организованной.
• Энтропия (порядок и беспорядок)
• Экстропия - метафорический термин, определяющий степень интеллекта, функционального порядка, жизнеспособности, энергии, жизни, опыта и способностей живой или организационной системы, а также стремление к совершенствованию и росту.
• Негэнтропия - сокращение разговорной фразы, обозначающей отрицательную энтропию.
• Самоорганизация . В неравновесной термодинамике энтропия и диссипативные структуры связаны с явлением самоорганизации (структурность, упорядоченность). Системы жизни и ее подсистемы представляют собой диссипативные структуры с некоторой степенью самоорганизации.

Дальнейшее чтение

• Шнайдер Э. и Саган Д. (2005). В прохладу: поток энергии, термодинамика и жизнь . Издательство Чикагского университета, Чикаго. ISBN   9780226739366
• Капуста, А (2007). «Жизненный круг, время и личность в концепции информационного метаболизма Антония Кемпинского» . Философия. Социология . 18 (1): 46–51.
• Ла Серра, П. (2003). Первый закон психологии — это второй закон термодинамики: энергетическая эволюционная модель разума и возникновение человеческих психологических явлений , Обзор человеческой природы 3: 440–447.
• Мороз, А. (2011). Общие крайности в биологии и физике . Elsevier Insights, Нью-Йорк. ISBN   978-0-12-385187-1
• Джон Р. Вудворд (2010). Искусственная жизнь, второй закон термодинамики и колмогоровская сложность . Искусственная жизнь, второй закон термодинамики и колмогоровская сложность. Международная конференция IEEE 2010 г. по прогрессу в области информатики и вычислений

Том. 2 страницы 1266–1269 IEEE

Внешние ссылки

• Термодинамическая эволюция Вселенной pi.physical.uni-bonn.de/~cristinz