Sa presupunem ca niste extraterestri au aterizat pe Pamant si vor sa invete din cunostintele stiintifice actuale ale noastre. Am putea incepe cu documentarul Powers of Ten, realizat in anii 70. Intr-adevar, grafica este depasita, dar acest scurt film reuseste sa surprinda in mai putin de 10 minute o viziune cuprinzatoare asupra Universului.
Scenariul este simplu si elegant. Incepe cu un cuplu ce ia picnicul intr-un parc din Chicago. Apoi camera de filmat se indeparteaza. La fiecare 10 secunde campul de vizibilitate se ridica la puterea 10 – de la 10 metri la 100, apoi la 1000 si asa mai departe. Incet, imaginea ne dezvaluie orasul, continentul, Pamantul, Sistemul Solar, stelele vecine, Calea Lactee, pana la cele mai mari structuri ale Universului. Apoi, in a doua jumatate a filmului, camera se indreapta spre cele mai mici structuri, descoperind tot mai multe detalii microscopice. Calatorim in corpul uman si descoperim celulele, dublul helix al moleculei ADN, atomii, nuclee si in final, quarcuri si alte particule elementare.
Filmul surprinde frumusetea uimitoare a macrocosmosului si a microcosmosului, iar intelegerea secventei urmatoare este scopul oamenilor de stiinta care imping frontierele intelegerii noastre asupra celor mai mari si mai mici structuri ale Universului.
“Powers of Ten” ne invata de asemenea ca, in timp ce traversam diferitele scale de marime, timp si energie, calatorim si prin diferite domenii ale cunoasterii. Psihologia studiaza comportamentul uman, biologia examineaza viata si organismele vii, astrofizica studiaza planetele si stelele, iar cosmologia se concentreaza asupra originii si a destinului Universului. In mod similar, in microcosmos, navigam in domeniile biologiei, biochimiei si fizicii atomice, nucleare si fizica particulelor. Este ca si cum disciplinele stiintifice se formeaza in straturi, precum straturile geologice din Marele Canion.
Trecand de la un strat la altul, vedem exemple de reductionism. Indepartandu-ne si analizand lumea de sus, vedem noi modele ce emerg din comportamentul complex al blocurilor individuale. Reactiile biochimice dau nastere fiintelor vii, acestea se aduna in ecosisteme, asa cum stelele s-au adunat pentru a creea bratele spiralate ale galaxiilor.
Daca ne apropiem observam lumea microscopica, vedem reductionismul in actiune. Modelele complicate dispar, viata se reduce la reactiile dintre ADN, ARN, proteine si alte molecule organice. Complexitatea chimiei se pierde in frumusetea eleganta a atomului. Si in sfarsit, modelul standard al fizicii particulelor capteaza toate componentele cunoscute ale materiei si a radiatiei in doar 4 forte si 17 particule elementare.
Viata si legile fizicii
Care este diferenta intre fizica si biologie? Luati o minge si aruncati-o. Legile fizicii va permit sa preziceti traiectoria destul de exact. Acum repetati experimentul, dar folosind un porumbel (viu, evident). Desigur, sistemele biologice nu sfideaza legile fizicii, dar nici nu par a fi prezise de ele. In schimb, ele sunt directionate cu un scop: sa supravietuiasca si sa se reproduca. Putem spune ca au un scop – sau ceea ce filozofii numesc teleologie – ce ghideaza comportamentul.
In acelasi timp, fizica ne permite sa anticipam, sa prezicem, pornind de la starea Universului imediat dupa Big Bang. Dar nimeni nu-si inchipuie ca aparitia primelor celule de pe Pamant au condus in mod previzibil la aparitia rasei umane. Legile nu par sa dicteze evolutia.
Ernst Mayr a spus ca teleologia si contingenta istorica a biologiei, fac ca biologia sa fie deosebita printre stiinte. Ambele caracteristici se bazeaza pe acelasi principiu al evolutiei. Biologia depinde de sansa si accident, insa selectia naturala ii da aspectul intentiei si a scopului. De exemplu, animalele sunt atrase de apa, nu de o atractie magnetica, ci de instinctul lor, de intentia lor de a se hrani (pentru a supravietui). Iar picioarele servesc scopului, printre altele, de a ajuta organismul sa ajunga la apa.
Mayr a sustinut ca aceste trasaturi fac biologia diferita – o lege de la sine. Dar evolutiile recente din fizica, din stiinta complexa a sistemelor si din teoria informatiilor provoaca aceasta opinie.
Odata ce privim lucrurile vii ca agenti care efectueaza un calcul – colectarea si stocarea informatiilor despre un mediu imprevizibil – capacitatile precum replicarea, adaptarea, scopul si semnificatia pot fi intelese ca nefiind generate de o improvizatie evolutionista, ci de legile inevitabile ale fizicii. Cu alte cuvinte, se pare ca exista un fel de fizica a lucrurilor care fac lucruri si evolueaza sa faca lucruri. Semnificatia si intentia – considerate a fi caracteristicile definitorii ale sistemelor vii – pot aparea in mod natural datorita legilor termodinamicii si mecanicii statistice.
Prima incercare de a aduce informatia si intentia in legile termodinamicii a fost in secolul al 19-lea, cand mecanica statistica a fost inventata de James Clerk Maxwell. Maxwell a aratat ca introducerea acestor doua ingrediente parea sa faca posibila realizarea unor lucruri ce pareau imposibile la acea vreme.
Profesorul de la MIT, Jeremy England, spune ca “formula, bazata pe fizica, indica faptul ca atunci cand un grup de atomi este condus de o sursa extrema de energie (precum razele Soarelui sau un combustibil chimic) si inconjurat de caldura, se restructureaza pentru a disipa din ce in ce mai multa energie. Aceasta ar putea insemna ca, in anumite conditii, materia dobandeste in mod inevitabil atributul fizic cheie asociat cu viata”.
Viata si termodinamica
Ori de cate ori un sistem trece printr-un proces termodinamic, sistemul nu va mai putea sa revina la starea exacta de dinaintea acelui proces. Insa cea de-a doua lege a termodinamicii aplicata asupra originii vietii este o problema mult mai complicata decat dezvoltarea si evolutia vietii, deoarece nu exista un “model standard” al modului in care au aparut primele forme de viata biologice.
Lev Tolstoi spunea in Anna Karenina, ca “toate familiile fericite sunt la fel, fiecare familie nefericita este nefericita in propriul fel”. Exista multe modalitati prin care o casatorie poate esua – probleme financiare, legate de parinti, conflicte de valori sau principii, lipsa de incredere, infidelitate etc. O dezordine in oricare dintre aceste zone poate distruge o familie. Pentru a fi fericit, cu toate acestea, e nevoie de un anumit grad de succes in fiecare domeniu important. Altfel spus, toate familiile fericite sunt la fel pentru ca au aceeasi structura. Dezordinea poate aparea in multe feluri, dar ordinea, doar intr-un fel.
Daca ai o combinatie de talente, abilitati si interese, dar traiesti intr-o societate si o cultura mai larga care nu au fost concepute cu aceste abilitati in minte, avand in vedere ceea ce stim despre entropie, care ar fi sansele ca mediul sa fie optim pentru talentele tale?
Este foarte putin probabil ca viata sa te puna intr-o situatie care ti se potriveste perfect. Din toate scenariile posibile pe care le-ai putea intalni, este mult mai probabil sa intalnesti unul care sa nu te satisfaca.
Biologii folosesc termenul numit “conditii de nepotrivire” pentru a descrie atunci cand un organism nu este potrivit pentru o situatie cu care se confrunta. Si avem chiar expresii binecunoscute pentru situatii de neconcordanta: “ma simt ca un peste pe uscat”. Evident, atunci cand te afli intr-o situatie de nepotrivire, este mai greu sa reusesti si sa castigi.
La prima vedere, organismele vii par a incalca sistematic principiul al II-lea al termodinamicii, deoarece, cel putin in prima parte a vietii lor, se organizeaza spontan, marindu-si gradul de ordine iar entropia lor in loc sa creasca, scade. O asemenea concluzie (ca viata incalca principiul al II-lea) este posibila numai daca se ignora faptul ca sistemele biologice sunt sisteme deschise, iar procesele biologice sunt procese ireversibile.
Principiul al II-lea al termodinamicii postuleaza cresterea entropiei intr-un sistem izolat in care procesele se desfasoara de la sine. Este adevarat ca procesele biologice se desfasoara de la sine, dar este in acelasi timp, evident ca sistemul biologic nu este izolat. Organismele vii preiau din mediul inconjurator (sub forma de hrana) molecule complexe cu entropie scazuta si elimina in exterior molecule simple ce rezulta din arderea primelor. Se poate spune ca organismul preia din mediul inconjurator entropie negativa (sau negentropie) si elimina in mediu entropie pozitiva.
Procesele biologice sunt ireversibile; formularea locala a principiului II al termodinamicii afirma ca desfasurarea unui proces ireversibil intr-un domeniu oricat de mic al unui sistem termodinamic este insotita intotdeauna de producere de entropie chiar in acel loc.
Intr-adevar, in organism, la nivel celular au loc procese termodinamice generatoare de entropie, dar tot acolo, pe seama acestor procese, se desfasoara in paralel procese producatoare de ordine, care duc la scaderea entropiei. Procesul generator de entropie este numit proces cuplant, iar procesele care se desfasoara pe seama lui si se soldeaza cu scadere de entropie se numesc procese cuplate.
Variatia totala a entropiei la nivel de celula este, totusi, pozitiva, deoarece producerea de entropie in procesele cuplante depaseste scaderea de entropie asociata proceselor cuplate.
In organism, procesele cuplante sunt reprezentate de arderile metabolice (care alcatuiesc catabolismul) in timp ce procesele cuplate constau in biosinteze ale macromoleculelor (anabolism) si in constructii de structuri biologice cu mare grad de ordine.
In timp ce produsii de aredere (CO2, H2O etc) sunt eliminati prin respiratie, excretie etc, produsii biosintezelor raman in organism, devenind parti constituente ale acestuia.
De ce entropia este importanta?
Probabil v-ati intrebat ce treaba au exemplele despre relatii, familie si viata de zi cu zi, mentionate mai sus, cu entropia? Imaginati-va ca luati o cutie de puzzle si aruncati toate piesele pe o masa. Teoretic, este posbil ca piesele sa cada perfect la locul lor si sa creeze un puzzle complet. Dar in realitate, asta nu se intampla niciodata. De ce nu este posibil? Pentru ca sansele sunt coplesitoare impotriva. Fiecare piesa ar trebui sa cada doar in locul potrivit pentru a crea puzzle-ul complet. Exista o singura situatie posibila in care fiecare piesa este in ordine, dar exista un numar aproape infinit de stari in care piesele sunt in dezordine. Din punct de vedere matematic, este incredibil de putin probabil ca acest lucru sa se intample.
In mod similar, daca construim un castel de nisip pe plaja si revenim cateva zile mai tarziu, acesta nu va mai fi acolo. Exista o singura combinatie a particulelor de nisip care arata ca acel castel, dar un numar infinit de combinatii care nu vor arata la fel.
Acestea sunt doar niste exemple simple ale esentei entropiei. Entropia e masura dezordinii. Si exista intotdeauna mai multe variatii dezordonate decat ordonate.
Iata un lucru esential despre entropie: aceasta creste intotdeauna in timp. Este tendinta naturala a lucrurilor de a pierde ordinea. Lasata pe cont propriu, viata va deveni intotdeauna mai putin structurata. Castelele de nisip se distrug, relatiile neglijate se rup, buruienile napadesc gradinile, monumentele vechi se prabusesc, iar muntii erodeaza.
Aceasta este cunoscuta ca cea de-a doua lege a termodinamicii si este unul dintre conceptele fundamentale ale fizicii si una din legile fundamentale ale Universului. Pe termen lung, nimic nu scapa de aceasta lege. Totul se descopune, iar dezordinea este in crestere.
Dar inainte sa intram in depresie, exista si o veste buna. Putem lupta impotriva entropiei si asta pentru ca suntem vii. Putem rezolva un puzzle imprastiat, putem rupe buruienile din gradina si ne putem curata locuinta. Dar pentru ca Universul inclina in mod natural spre dezordine, trebuie sa consumam energia pentru a creea stabilitate, structura si simplitate. Relatiile de succes necesita grija si atentie. Casele necesita curatenie si intretinere, iar echipele de succes necesita comunicare si colaborare. Fara efort, lucrurile se vor distruge.
Aceasta dezordine are o tendinta naturala de a creste in timp dar putem contracara aceasta tendinta prin folosirea energiei – iar asta ne dezvaluie scopul vietii.
Pamantul capteaza o mica parte a radiatiei solare. Deoarece, in ansamblu, Pamantul sta intr-o stare de echilibru, pierderea de energie echilibreaza energia de intrare. Diferitele fluxuri care contribuie la acest proces de reglare sunt destul de complexe si includ reflexia, absorbtia de catre atmosfera cu pierderi de energie pe cai termice (emisii in infrarosu), absorbtia pasiva si re-emisia de IR, absorbtia de catre plante etc. Balanta energetica globala include, de asemenea, sursele de caldura endogene ale Pamantului.
Unde intra viata in aceasta ecuatie? Ludwig Boltzmann in 1886 spunea ca “lupta generala a fiintelor animate pentru existenta nu este o lupta pentru materiile prime – acestea, pentru organisme, sunt aerul, apa si solul, toate disponibile din belsug – nici pentru energia care exista in abundenta in orice organism sub forma de caldura, ci lupta pentru entropie (negativa), care devine disponibila prin transferul energiei de la Soarele fierbinte catre Pamantul nostru rece”.
Desi mecanismul de fotosinteza este astazi bine explorat si avem mai mult decat o “idee” despre cum functioneaza procesele chimice, intelegerea lui Boltzmann este inca de actualitate. Daca presupunem ca biosfera este, intr-un anumit timp, in stare de echilibru, orice energie interceptata de stratul subtire al vietii de pe suprafata Terrei, trebuie de asemenea, sa fie convertita in cele din urma in caldura.
Factorii care influenteaza emisiile si efectul de sera vor complica aceasta imagine simpla, dar noi le vom ignora pentru moment. O parte substantiala a energiei luminoase este interceptata de biosfera, predominant de plante, alge si cianobacterii. Fractiunea interceptata asigura fotosinteza si, prin urmare, e ceea ce sustine viata pe Pamant.
In timp ce in principiu, putem trata biosfera ca un sistem fizico-chimic care functioneaza conform legilor fizicii, i s-a adaugat mai nou, o noua dimensiune: cea a informatiei. Homo sapiens a invatat cum sa comunice folosind limbajul, sa astearna pe pergament informatia si sa sa o transmita mai departe. Schimbarea de informatii intre generatii a dus la o schimbare semnificativa a continutului informational al biosferei. Exista schimbari majore (orase, drumuri, porturi, Internet etc) si efecte antropice asupra biosferei, care ar putea fi luate ca si consecinte ale unei sofisticari sporite in urma exploatarii informatiei.
Tendinta catre echilibru
Legea a doua a termodinamicii poate fi formulata in mai multe feluri, dar prezice un singur lucru: o stare de echilibru plictisitoare si o moarte termica inevitabila a Universului si implicit a vietii. Afirmatia lui Rudolf Julius Emanuel Clausius, fizician si matematician, “entropia Universului tinde spre uniformitate” poate fi privita ca o forma a legii a doua a termodinamicii. Cu toate acestea, dupa cum vedem, lumea prezinta un model interesant al vietii, care genereaza in mod constant structuri impresionant de ordonate, de la microorganisme, flori si pana la Homo sapiens. Deci cum este posibil ca un organism viu sa existe, sa supravietuiasca si sa evolueze, nu sa se indrepte catre o moarte lenta si rece?
Aceste intrebari interesante au fost abordade de Schrodinger in 1944, o data cu publicarea faimoasei sale carti “Ce este viata?”. Schrodinger a spus “cum poate organismul viu sa evite degradarea? Raspunsul evident este: prin consumul de alimente, apa, prin respiratie si (in cazul plantelor) prin asimilare. Termenul tehnic se numeste metabolism”.
Cu toate acestea, Schrodinger a subliniat ca metabolismul in sine nu explica nimic: “Orice atom de azot, oxigen, sulf etc este la fel de bun ca oricare altul de acest gen, ceea ce ar putea fi castigat prin schimbarea lor?” Acelasi lucru pare sa fie valabil si invers: “Deoarece, desigur, o calorie valoreaza la fel de mult ca orice alta calorie, nu se poate vedea cum ar putea fi de ajutor un simplu schimb”. Astfel, Schrodinger a ajuns la celebra remarca: “Organismele se hranesc cu entropie negativa. Sau, pentru a spune mai putin paradoxal, chestiunea esentiala in metabolism este ca organismul reuseste sa se elibereze de toata entropia care nu o poate ajuta in timp ce este in viata”.
Conceptul sau de “entropie negativa”, sau “negentropie” a dat nastere unor discutii si critici cu privire la semnificatia sa. Chiar si la 60 de ani de la publicarea cartii sale, “Ce este viata?”, s-au organizat simpozioane si s-au publicat colectii de lucrari care s-au concentrat in jurul intrebarii lui Schrodinger.
Entropia negativa poate fi interpretata pe baza unui echilibru entropic in jurul celulei vii. In acest echilibru, care considera organismele vii ca fiind sisteme deschise, reprezinta rata de schimb a nutrientilor si a produsilor prin peretele unei celule, cu o entropie partial molara.
Potrivit legii a II-a a termodinamicii si avand in vedere faptul ca viata si cresterea sunt procese clar ireversibile, entropia este intotdeauna generata intern, adica produsul este intotdeauna pozitiv. Dupa cum a subliniat si Schrodinger, organismele vii trebuie sa mentina o stare de organizare si sa evite o crestere a entropiei. Prin urmare, entropia interna trebuie sa fie transferata in mediul inconjurator fie prin schimbul de entropie (caldura), fie prin producerea de produse cu entropie mai mare decat nutrientii. In cele din urma, entropia produsa ar depasi importul de entropie cu substante nutritive, si astfel, s-ar produce un transfer net de entropie in mediul inconjurator.
Termodinamica mortii
Imbatranirea a fost considerata ca o trasatura dictata de evolutie. Organismele care au o durata de viata limitata creeaza oportunitati de reproducere iar apoi, de inlocuire cu niste urmasi mai bine adaptati la mediul inconjurator. Aceasta pare sa fie doar o parte din poveste, pentru ca Hildegard Meyer-Ortmanns, fizician la Universitatea din Bremen, considera ca in cele din urma imbatranirea este un proces fizic, nu biologic, si este guvernat de termodinamica.
Cu siguranta nu este pur si simplu o chestiune de epuizare a resurselor. “Majoritatea celulelor din care suntem facuti sunt inlocuite de nenumarate ori in decursul vietii, inainte de a avea sansa de a imbatrani”, a spus Meyer-Ortmanns. Dar acest proces de reinnoire nu este perfect. Termodinamica copierii informatiilor spune ca trebuie sa existe un compromis intre precizie si energie. Un organism are o sursa finita de energie, astfel incat erorile se acumuleaza in timp. Organismul trebuie apoi sa consume o cantitate din ce in ce mai mare de energie pentru a remedia aceste erori. Procesul de inlocuire a celulelor produce in cele din urma copii prea defecte pentru a functiona corect; iar apoi, urmeaza moartea.
Dovezile empirice par sa suporte aceasta ipoteza. Este cunoscut faptul ca celulele umane se divid de 40-60 de ori (numita limita Hayflick) inainte de a se opri. Si observatiile recente asupra longevitatii umane au sugerat ca poate exista un motiv fundamental pentru care oamenii nu pot supravietui mult peste 100 de ani.
Exista o dorinta aparenta a acestor sisteme eficiente, organizate, predictive, sa apara intr-un mediu fluctuant si in dezechilibru. Noi insine suntem un astfel de sistem, asa cum au fost stramosii nostrii, pana la primele celule primitive. Iar acest dezechilibru termodinamic pare sa ne spuna ca in aceste circumstante, este exact ceea ce conteaza.
Cu alte cuvinte, aparitia vietii pe o planeta precum a noastra, insotita de surse de energie (lumina soarelui, activitatea vulcanica) care pastreaza lucrurile in afara echilibrului, nu pare sa fie un eveniment extrem de putin probabil.
Ceea ce Ernst Mayr a considerat esential pentru biologie – sens si intentie – poate parea ca o consecinta fireasca a statisticii si a termodinamicii. In acelasi timp, astronomii ne-au aratat cat de multe alte lumi exista in Univers. Multe sunt departe de echilibru, la fel ca si planeta noastra, iar viata joaca dupa aceleasi reguli ale fizicii.
Bibliografie:
Boltzmann, Ludwig (1974). The second law of thermodynamics.
Russell Doolittle, „The Probability and Origin of Life” (1984)
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0005272899000651
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2577055/
http://daneremia.eu/curs/05elemente_de_termodinamica_biologica/asp.htm
https://www.quantamagazine.org/the-computational-foundation-of-life-20170126/
https://www.quantamagazine.org/to-solve-the-biggest-mystery-in-physics-join-two-kinds-of-law-20170907/
http://whatislife.stanford.edu/LoCo_files/What-is-Life.pdf
https://www.youtube.com/watch?v=0fKBhvDjuy0