Ο τέταρτος νόμος της θερμοδυναμικής

Posted on 13/09/2012

0


Πως οι ζωντανοί οργανισμοί υπακούουν στα αξιώματα της θερμοδυναμικής

1ος νόμος της θερμοδυναμικής: H μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ενός συστήματος είναι ίση με το άθροισμα της θερμότητας που απορροφάται και του εξωτερικού έργου που παράγεται πάνω στο σύστημα: ΔU = Q – W
Πρόκειται για μια διαφορετική διατύπωση της αρχής διατήρησης της ενέργειας.
2ος νόμος της θερμοδυναμικής: Οι πιο πιθανές διαδικασίες που μπορούν να συμβούν σε ένα απομονωμένο σύστημα είναι αυτές στις οποίες η εντροπία είτε αυξάνει είτε παραμένει σταθερή:  ΔS ≥ 0
3oς νόμος της θερμοδυναμικής: (ή θεώρημα του Nerst) Είναι αδύνατον να προσεγγιστεί η θερμοκρασία του απολύτου μηδενός.

Η θεμελιώδης μονάδα της ζωής, το κύτταρο, είναι ένα ανοικτό θερμοδυναμικό σύστημα

Η ζωντανή ύλη δεν είναι αυτόνομη από την άποψη της ενέργειας. Χρειάζεται ενέργεια από το περιβάλλον. Αυτός ο τύπος του ασταθούς συστήματος, που παραμένει σ’ ένα καθορισμένο επίπεδο οργάνωσης με μια συνεχή προμήθεια ελεύθερης ενέργειας, συχνά περιγράφεται ως μια κατάσταση δυναμικής ισορροπίας (steady state).

Η κατάσταση αυτή δεν αντιπροσωπεύει μιαν ισορροπία όπου το σύστημα έχει φτάσει τη χαμηλότερη δυνατή ενέργεια και τη μεγαλύτερη δυνατή αποδιοργάνωση. Αντίθετα, βρίσκεται μακριά από την ισορροπία και μπορεί να παραμείνει σ’ αυτή τη φαινομενική σταθερότητα μόνο με συνεχή προμήθεια ελεύθερης ενέργειας.

Ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος δεν αναφέρεται απευθείας σε ανοικτά συστήματα, όπως είναι το κύτταρο, όπου εμφανίζονται και μη αντιστρεπτές μεταβολές.
Για την μελέτη των φαινομένων της δυναμικής ισορροπίας αναπτύχθηκε η «θερμοδυναμική των μη αντιστρεπτών μεταβολών» που εφαρμόζεται σε φαινόμενα δυναμικής ισορροπίας.

Ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος μας λέει πως αν η εντροπία ενός απομονωμένου συστήματος ελαττώνεται,  όπως συμβαίνει στην περίπτωση των βιολογικών συστημάτων, τότε έχουμε να κάνουμε όχι με ένα απομονωμένο σύστημα, αλλά με ένα τμήμα ενός μεγαλύτερου συστήματος (δηλαδή με ανοικτό σύστημα).

Η συνεχής προσφορά ελεύθερης ενέργειας είναι μόνο μια από τις προϋποθέσεις για να διατηρείται η κατάσταση δυναμικής ισορροπίας. Επίσης θα πρέπει να υπάρχει μια ελάχιστη οργάνωση ώστε η ενέργεια να μπορεί να απορροφηθεί και να χρησιμοποιηθεί. Βιολογική εξέλιξη είναι το φαινόμενο το οποίο οδήγησε σιγά – σιγά σε μια μεγάλη ποικιλία τύπων οργάνωσης που είναι ικανοί να αποσπούν ελεύθερη ενέργεια από το εξαιρετικά ποικίλο περιβάλλον μας.

Καθώς προχώρησε η εξέλιξη, η οργάνωση της βιόσφαιρας που χρησιμοποιείται μεγάλωσε. Και αυτό επίσης δε θάπρεπε να το δούμε σα μια παραβίαση του δεύτερου νόμου. Ο μηχανισμός της φυσικής επιλογής χρησιμοποιώντας τα φαινόμενα της αναπαραγωγής, της φυλετικότητας, των κληρονομούμενων μεταβολών και της διαφορικής επιβίωσης παρέχει ένα μηχανισμό με τον οποίο η πλούσια προσφορά ελεύθερης ενέργειας από τον ήλιο χρησιμοποιείται για να χρησιμοποιηθούν οργανώσεις αυξανόμενης πολυπλοκότητας στον πλανήτη μας.

Πριν 5 δισεκατομμύρια χρόνια, προτού αρχίσει η ζωή στον πλανήτη μας, όλη η ελεύθερη ενέργεια που χυνόταν πάνω του από τον ήλιο διασκορπιζόταν γρήγορα σαν άχρηστη θερμότητα και ακτινοβολούνταν προς το διάστημα. Κατόπιν, αναπτύχθηκαν πολύ μικρά συστήματα που ήταν ικανά να παγιδεύσουν μέρος της ελεύθερης ενέργειας και να τη χρησιμοποιήσουν για να διατηρήσουν και να επεκτείνουν την οργάνωσή τους. Καθώς η εξέλιξη προχωρούσε αυτή η δέσμευση ενέργειας έγινε πιο αποδοτική και πιο εκτεταμένη.

Διαβάστε επίσης: Ο Ήλιος ως πηγή ενέργειας χαμηλής εντροπίας (ή πως η βαρύτητα μειώνει την εντροπία)

Σήμερα οι παγιδευμένες ακτίνες του ήλιου προμηθεύουν και την ελεύθερη ενέργεια για να χτιστούν πόλεις ή για να μελετά η ζωντανή ύλη τον ίδιο τον εαυτό της και τις αρχές που την κυβερνούν. Η κατάσταση της δυναμικής ισορροπίας της ζωής απέκτησε μέρος από την ελεύθερη ενέργεια του ήλιου και την κρατά με την μορφή μιας «βιόσφαιρας» που συνεχώς επεκτείνεται.

Αναφέραμε στην αρχή τις διατυπώσεις των τριών νόμων της Θερμοδυναμικής. Θα μπορούσαμε να «προτείνουμε» και έναν «τέταρτο νόμο» που θα έλεγε πως όποτε υπάρχουν ο απαιτούμενος χρόνος, τα απαραίτητα ατομικά δομικά στοιχεία – άνθρακας (C) , Οξυγόνο (Ο), άζωτο (Ν) κ.λ.π. -, η κατάλληλη θερμοκρασία και μια σταθερή παροχή ελεύθερης ενέργειας, παρουσιάζεται αναγκαστικά κάποιος «οργανισμός» με πολυπλοκότητα που συνεχώς αυξάνεται. Ο οργανισμός αυτός θα έχει την ιδιότητα να ελαττώνει την εντροπία του, ξοδεύοντας τα μεγάλα ποσά ελεύθερης ενέργειας που παρέχει ο ήλιος.

Η πληθώρα των ηλιακών συστημάτων που περιέχονται στους γαλαξίες του σύμπαντος, μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι θα υπάρχουν πλανήτες σαν την Γη μας που θα μπορούσαν να φιλοξενούν ζωή. Μάλλον δεν είμαστε μόνοι σ΄ αυτό το σύμπαν και η καταγωγή της ζωής δεν είναι μια «μεγάλη σύμπτωση», αλλά ένας φυσικός νόμος.
Η ζωντανή ύλη δεν είναι έξω από το φυσικό κόσμο, αλλά ένα αναπόσπαστο τμήμα του. Αποτελεί μια θαυμαστή, ειδική περίπτωση της φυσικής ύλης και τη διακρίνουν η μακραίωνη και χαρακτηριστική ιστορία της εξέλιξής της και η οικονομία χώρου και λειτουργίας της μοριακής οργάνωσης.

Η αρνητική εντροπία (negentropy)

O Erwin Schrödinger υπήρξε ένας από τους θεμελιωτές της Κβαντομηχανικής. (η εξίσωση που καθορίζει την συμπεριφορά του κβαντικού κόσμου φέρει το όνομά του). Όμως ήταν και από τους πρώτους που συνέδεσαν την έννοια της εντροπίας και τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο με τους ζωντανούς οργανισμούς. Σύμφωνα με τον Schrödinger:
Η ζώσα ύλη διαφεύγει τον εκφυλισμό προς την ισορροπία (…) Ποιο είναι το χαρακτηριστικό γνώρισμα της ζωής; Πότε λέμε ότι ένα κομμάτι ύλης είναι ζωντανό; Πως αποφεύγει ένας ζωντανός οργανισμός τη φθορά;
Κάθε διαδικασία, γεγονός, συμβάν – πείτε το όπως θέλετε –, κάθε τι που συμβαίνει στη Φύση, σημαίνει μια αύξηση της εντροπίας του τμήματος εκείνου του κόσμου στο οποίο συμβαίνει. Έτσι, ένας ζωντανός οργανισμός αυξάνει διαρκώς την εντροπία του – ή, παράγει θετική εντροπία – προσεγγίζοντας την επικίνδυνη κατάσταση της μέγιστης εντροπίας, η οποία είναι ο θάνατος. Μπορεί μόνο να μείνει μακριά του, δηλαδή ζωντανός, αντλώντας διαρκώς από το περιβάλλον αρνητική εντροπία. Αυτό με το οποίο τρέφεται ένας οργανισμός είναι η αρνητική εντροπία. Ή για να το θέσουμε λιγότερο παράδοξα, το ουσιαστικό πράγμα στον μεταβολισμό είναι ότι ο οργανισμός επιτυγχάνει να ελευθερώνεται απ’ όλη την εντροπία που είναι υποχρεωμένος να παράγει όσο είναι ζωντανός. Η εντροπία ορίζεται από την εξίσωση του Boltzmann:

S = k logΩ

όπου k h σταθερά του Boltzmann και όπου Ω είναι ο συνολικός αριθμός των μικροκαταστάσεων του συστήματος.
Αν το Ω είναι ένα μέτρο της αταξίας του συστήματος, τότε το αντίστροφό του, το 1/Ω, μπορέι να θεωρηθεί απευθείας μέτρο της τάξης. Δεδομένου ότι ισχύει

log(1/Ω) = -logΩ

μπορούμε να γράψουμε την εξίσωση Boltzmann ως εξής:

-S=klog(1/Ω)

Η «αρνητική εντροπία» με λίγα λόγια αποτελεί  ένα μέτρο της τάξης συστήματος…
Στην περίπτωση των ανώτερων ζώων γνωρίζουμε αρκετά καλά την τάξη από την οποία τροφοδοτούνται, δηλαδή, την εξαιρετικά καλά οργανωμένη κατάσταση της ύλης σε περισσότερο ή λιγότερο πολύπλοκες οργανικές ενώσεις, που χρησιμεύουν ως «τροφές».  Αφού τις χρησιμοποιήσουν, τις επιστρέφουν σε κατά πολύ διασπασμένη μορφή – όχι όμως τελείως διασπασμένη, αφού τα φυτά μπορούν ακόμα να τις χρησιμοποιήσουν. (Αυτά, βεβαίως, δέχονται την πιο ισχυρή παροχή «αρνητικής εντροπίας» από το φως του Ήλιου).

ΠΗΓΕΣ:
1. «Εισαγωγή στη σύγχρονη βιολογία», ενότητα πρώτη, Φ. Κ. Καφάτος, Σύγχρονες επιστήμες, Διογένης, Αθήνα 1988
2. «Τι είναι η ζωή;», Erwin Schrödinger, εκδόσεις Τραυλός, 1995 

Σχετικό άρθρο: Γύρω από την έννοια της ψυχικής ενέργειας