Энтропия и жизнь

редактировать

Исследование взаимосвязи между термодинамической величиной энтропией и Эволюция жизни началась примерно на рубеже 20-го века. В 1910 году американский историк Генри Адамс напечатал и разослал университетским библиотекам и профессорам истории небольшой том «Письмо американским учителям истории», в котором предлагалась теория истории, основанная на втором законе термодинамики и на принципе энтропии.

Книга 1944 года Что такое жизнь? Нобеля лауреата физика Эрвина Шредингера стимулировали 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 исправился в ответ на жалобы и заявил, что истинный источник свободен. энергия. Более поздняя работа ограничила обсуждение свободной энергией Гиббса, потому что биологические процессы на Земле обычно происходят при постоянной температуре и давлении, например, в атмосфере или на дне океана, но не в обоих направлениях за короткий промежуток времени. периоды времени для отдельных организмов.

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

Содержание

  • 1 Ранние взгляды
  • 2 Отрицательная энтропия
  • 3 Свободная энергия Гиббса и биологическая эволюция
  • 4 Энтропия и происхождение жизни
  • 5 Энтропия и поиск внеземной жизни
  • 6 Энтропия в психологии
  • 7 Возражения
  • 8 См. Также
  • 9 Ссылки
  • 10 Дополнительная литература
  • 11 Внешние ссылки

Ранние взгляды

В 1863 году Рудольф Клаузиус опубликовал свои знаменитые мемуары «О концентрации лучей тепла и света и о пределах их действия», в которых он изложил предварительные отношения, основанные на его собственной работе. и Уильяма Томсона (лорд Кельвин), между живыми процессами и его недавно разработанной концепцией энтропии. Основываясь на этом, одним из первых, кто высказал предположение о возможной термодинамической перспективе органической эволюции, был австрийский физик Людвиг Больцман. В 1875 году, опираясь на работы Клаузиуса и Кельвина, Больцман рассуждал:

Общая борьба за существование одушевленных существ - это не борьба за сырье - это, для организмов, воздух, вода и почва, все в изобилии - ни за энергию, которая в избытке присутствует в любом теле в виде тепла, а за борьбу за [отрицательную] энтропию, которая становится доступной благодаря переходу энергии от горячего солнца к холодной земле.

В 1876 году американское гражданское общество инженер Ричард Сирс Маккалох в своем «Трактате о механической теории тепла и его применении в паровом двигателе», который был одним из первых учебников по термодинамике, после разговора о законах физического мира заявляет, что « нет ничего более прочного, чем два общих положения Джоуля и Карно, которые составляют фундаментальные законы нашего предмета ». Затем Маккалох показывает, что эти два закона могут быть объединены в одно выражение следующим образом:

S = ∫ d Q τ {\ displaystyle S = \ int {dQ \ over \ tau}}S = \ int {dQ \ over \ tau}

где

S = {\ displaystyle S =}{\ displaystyle S =} энтропия
d Q = {\ displaystyle dQ =}{\ displaystyle dQ =} разное количество тепла, переданное в термодинамическая система
τ = {\ displaystyle \ tau =}\ тау = абсолютная температура

Затем МакКалло заявляет, что применение 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 в целом физические явления связаны с тепловыми изменениями и отношениями, сразу становится очевидным, что существует несколько ветвей естественные науки, которые ни в какой мере не зависят от рассматриваемых великих истин. Поэтому не должно вызывать удивления и то, что за короткий промежуток времени не прошло еще ни одного поколения с тех пор, как механическая теория тепла была свободно принята, целые отрасли физической науки получили были революционизированы этим.

Маккаллох приводит несколько из того, что он называет «более интересными примерами» применения этих законов по степени и полезности. Его первым примером является физиология, в котором он утверждает, что «тело животного, не меньше парохода или локомотива, действительно является тепловым двигателем, и потребление пищи в одном в точности аналогично сжиганию топлива в другом; в обоих случаях химический процесс одинаков: тот, который называется горением ». Затем он включает обсуждение теории дыхания Антуана Лавуазье с циклами пищеварения, выделения и потоотделения, но затем противоречит недавним открытиям Лавуазье, таким как внутреннее тепло, генерируемое трением в соответствии с новой теорией тепла, которая, согласно МакКаллоху, утверждает, что «тепло тела в целом и равномерно распространяется, а не концентрируется в груди». Затем Маккалох приводит пример второго закона, в котором он утверждает, что трение, особенно в более мелких кровеносных сосудах, должно вызывать нагревание. Несомненно, таким образом вырабатывается некоторая часть тепла, выделяемого животными. Затем он спрашивает: «Но откуда расход энергии, вызывающий это трение, и что само должно быть объяснено?»

Чтобы ответить на этот вопрос, он обращается к механической теории тепла и далее в общих чертах описывает, как сердце - это то, что он называет «силовой насос», который принимает кровь и направляет ее в каждую часть тела, как обнаружил Уильям Харви, и которое «действует как поршень двигателя и зависит от после и, следовательно, из-за цикла питания и выделения, который поддерживает физическую или органическую жизнь ». Вполне вероятно, что Маккалох смоделировал часть этого аргумента на основе известного цикла Карно. В заключение он резюмирует свои аргументы первого и второго закона как таковые:

Все физическое существо подчиняется закон сохранения энергии, из этого следует, что никакое физиологическое действие не может иметь место, кроме как с расходом энергии, полученной из пищи; также, что животное, выполняющее механическую работу, должно из того же количества пищи производить меньше тепла, чем тот, кто воздерживается от напряжения, разница в точности составляет тепловой эквивалент работы.

Отрицательная энтропия

В книге 1944 года Что такое жизнь?, Австрийский физик Эрвин Шредингер, который в 1933 году получил Нобелевскую премию по физике, предположил, что жизнь - вопреки общей тенденции, продиктованной вторым законом термодинамики, в котором говорится, что энтропия изолированной системы имеет тенденцию к увеличению - уменьшает или поддерживает постоянную свою энтропию за счет подачи от отрицательной энтропии. Проблема организации живых систем, возрастающая вопреки второму закону, известна как парадокс Шредингера. Однако в своем примечании к главе 6 книги «Что такое жизнь?» Шредингер отмечает использование им термина отрицательная энтропия:

Прежде всего позвольте мне сказать, что если бы я обслуживал только их [физиков], я бы позволил обсуждение включите вместо этого бесплатную энергию. В данном контексте это более знакомое понятие. Но этот сугубо технический термин с лингвистической точки зрения казался слишком близким к энергии, чтобы заставить обычного читателя ощутить контраст между двумя вещами.

Это, как утверждает Шредингер, и отличает жизнь от других форм организации жизни. материя. В этом направлении, хотя можно утверждать, что динамика жизни идет вразрез с тенденцией второго закона, жизнь никоим образом не противоречит этому закону и не отменяет его, поскольку принцип, согласно которому энтропия может только увеличиваться или оставаться постоянной, применяется только к закрытая система, которая является адиабатически изолированной, что означает, что тепло не может входить или уходить, а физические и химические процессы, которые делают возможной жизнь, не происходят в адиабатической изоляции, т.е. живые системы являются открытыми системами. Всякий раз, когда система может обмениваться теплом или веществом с окружающей средой, уменьшение энтропии этой системы полностью совместимо со вторым законом.

Шредингер задал вопрос: «Как живому организму удается избежать распада?» Очевидный ответ: «Еда, пить, дышать и (в случае растений) ассимилироваться». В то время как энергия питательных веществ необходима для поддержания порядка в организме, Шредингер также дальновидно постулировал существование других молекул, в равной степени необходимых для создания порядка, наблюдаемого в живых организмах: «Удивительный дар организма концентрировать поток порядка на себе и таким образом избегать распада. в атомный хаос - упорядоченность питья из подходящей среды - кажется, связано с присутствием апериодических твердых тел... "Теперь мы знаем, что этот" апериодический "кристалл - это ДНК, и что его неправильное расположение это форма информации. «ДНК в ядре клетки содержит главную копию программного обеспечения в двух экземплярах. Это программное обеспечение, кажется, управляет путем определения алгоритма или набора 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 его недостаточно, чтобы учесть рост в размерах, поскольку генетика является определяющим фактором. В какой-то момент практически все организмы обычно умирают и умирают, даже оставаясь в среде, содержащей достаточно питательных веществ для поддержания жизни. Управляющий фактор должен быть внутренним, а не питательными веществами или солнечным светом, действующими как причинные экзогенные переменные. Организмы наследуют способность создавать уникальные и сложные биологические структуры; Маловероятно, что эти способности будут изобретены заново или обучаться каждому поколению. Следовательно, ДНК должна действовать как первопричина и в этой характеристике. Применяя точку зрения Больцмана о втором законе, изменение состояния с более вероятного, менее упорядоченного и более высокого энтропийного порядка на более низкую вероятность, больший порядок и более низкую энтропию (как видно из биологического упорядочения) требует такой функции. известно о ДНК. Кажущаяся функция обработки информации ДНК обеспечивает разрешение парадокса Шредингера, поставленного жизнью, и энтропийное требование второго закона.

Свободная энергия Гиббса и биологическая эволюция

В последние годы термодинамическая интерпретация теории эволюции по отношению к энтропии начал использовать концепцию свободной энергии Гиббса, а не энтропии. Это связано с тем, что биологические процессы на Земле происходят примерно при постоянной температуре и давлении, ситуация, в которой свободная энергия Гиббса является особенно полезным способом выразить второй закон термодинамики. Свободная энергия Гиббса определяется выражением:

Δ G ≡ Δ H - T Δ S {\ displaystyle \ Delta G \ Equiv \ Delta HT \, \ Delta S}{\ displaystyle \ Delta G \ Equiv \ Delta HT \, \ Delta S}

, где

G = {\ displaystyle G =}{\ displaystyle G =} свободная энергия Гиббса
H = {\ displaystyle H =}H=энтальпия, переданная в термодинамическую систему
T = {\ displaystyle T =}{\ displaystyle T =} абсолютная температура
S = {\ displaystyle S =}{\ displaystyle S =} энтропия

Минимизация свободной энергии Гиббса является формой принципа минимальной энергии, который следует из принцип максимизации энтропии для закрытых систем. Кроме того, уравнение свободной энергии Гиббса в модифицированной форме может использоваться для открытых систем, когда в уравнение баланса энергии включены члены химического потенциала. В популярном учебнике 1982 г. «Принципы биохимии» известный американский биохимик Альберт Ленингер утверждал, что порядок, создаваемый внутри клеток по мере их роста и деления, более чем компенсируется беспорядком, который они создают в своем окружении в процессе рост и деление. Короче говоря, по словам Ленингера, «живые организмы сохраняют свой внутренний порядок, беря из своего окружения свободную энергию в виде питательных веществ или солнечного света и возвращая в свое окружение такое же количество энергии, как тепло и энтропия.. "

Аналогичным образом, согласно химику Джону Эйвери из его книги 2003 года« Теория информации и эволюция », мы находим представление, в котором феномен жизни, включая его происхождение и эволюцию, как Как и культурная эволюция человека, имеет свою основу в термодинамике, статистической механике и теории информации. (Кажущийся) парадокс между вторым началом термодинамики и высокой степенью упорядоченности и сложности, создаваемой живыми системами, согласно Эйвери, имеет свое разрешение «в информационном содержании свободной энергии Гиббса, которая поступает в биосферу из внешних источников». Предполагая, что эволюция подталкивает организмы к более высокому информационному содержанию, Грегори Чейтин постулирует, что жизнь обладает свойствами высокой взаимной информации, а Тамвакисом, что жизнь может быть количественно оценена с использованием метрик взаимной плотности информации, что является обобщением концепции Биоразнообразие.

В исследовании под названием «Естественный отбор для наименьших действий», опубликованном в Proceedings of the Royal Society A., Вилле Кайла и Арто Аннила из Университета Хельсинки описывают, как процесс естественный отбор, ответственный за такое локальное увеличение порядка, может быть математически выведен непосредственно из выражения второго закона уравнения для связанных неравновесных открытых систем. Второй закон термодинамики может быть записан как уравнение движения для описания эволюции, показывающее, как естественный отбор и принцип наименьшего действия могут быть связаны, выражая естественный отбор в терминах химической термодинамики. С этой точки зрения эволюция исследует возможные пути выравнивания различий в плотностях энергии и, таким образом, наиболее быстрого увеличения энтропии. Таким образом, организм служит механизмом передачи энергии, а полезные мутации позволяют последовательным организмам передавать больше энергии в своей среде.

Энтропия и происхождение жизни

Второй закон термодинамики применяется к происхождение жизни - вопрос гораздо более сложный, чем дальнейшее развитие жизни, поскольку не существует «стандартной модели» того, как возникли первые биологические формы жизни, только несколько конкурирующих гипотез. Проблема обсуждается в контексте абиогенеза, подразумевающего постепенную додарвиновскую химическую эволюцию. В 1924 году Александр Опарин предположил, что энергия, достаточная для создания ранних форм жизни из неживых молекул, содержится в «изначальном супе». Бельгийский ученый Илья Пригожин был удостоен Нобелевской премии 1977 г. за анализ в этой области. Связанная с этим тема - вероятность возникновения жизни, которая обсуждалась в нескольких исследованиях, например, Расселом Дулитлом.

. В 2009 году физик Каро Михаэлиан опубликовал термодинамическую теорию диссипации для происхождения жизни, в которой фундаментальные молекулы жизни; Считается, что нуклеиновые кислоты, аминокислоты, углеводы (сахара) и липиды были первоначально произведены в виде микроскопических диссипативных структур (посредством диссипативного структурирования Пригожина) в виде пигментов на поверхности океана, которые поглощают и рассеивают в тепло УФ-C-поток солнечного света, поступающего в Поверхность Земли во времена архея, как и органические пигменты в видимом регионе сегодня. Эти УФ-пигменты образовывались в результате фотохимического диссипативного структурирования из более распространенных и простых молекул-предшественников, таких как HCN и H 2 O под УФ-потоком солнечного света. Термодинамическая функция исходных пигментов (основных молекул жизни) была увеличить производство энтропии зарождающейся биосферы под солнечным потоком фотонов, и это, по сути, остается самой важной термодинамической функцией биосферы сегодня, но теперь в основном в видимой области, где интенсивности фотонов выше, а биосинтетические пути более сложны, позволяя синтезировать пигменты из видимого света с более низкой энергией вместо ультрафиолетового света, который больше не достигает поверхности Земли.

Энтропия и поиск внеземной жизни

В 1964 году Джеймс Лавлок был среди группы ученых, которых НАСА попросили создать теоретическую жизнь. -система обнаружения жизни на Марсе во время предстоящей космической миссии. Размышляя об этой проблеме, Лавлок задавался вопросом: «Как мы можем быть уверены, что марсианская жизнь, если таковая имеется, откроется для испытаний, основанных на образе жизни Земли?» Для Лавлока основным вопросом было: «Что такое жизнь и как ее распознать?» Когда он разговаривал об этой проблеме с некоторыми из своих коллег из Лаборатории реактивного движения, его спросили, что он будет делать, чтобы искать жизнь на Марсе. На это Лавлок ответил: «Я бы стал искать уменьшения энтропии, поскольку это должно быть общей характеристикой жизни».

В 2013 году Азуа-Бустос и Вега утверждали, что, игнорируя типы форм жизни, которые могут Можно представить себе как на Земле, так и в других частях Вселенной, все они должны иметь общий атрибут уменьшения их внутренней энтропии за счет свободной энергии, получаемой из их окружения. Поскольку энтропия позволяет количественно оценить степень беспорядка в системе, любая предполагаемая форма жизни должна иметь более высокий уровень порядка, чем ее непосредственная поддерживающая среда. Эти авторы показали, что, используя только анализ фрактальной математики, они могут легко количественно оценить степень различия структурной сложности (и, следовательно, энтропию) живых процессов как отдельных сущностей, отдельных от их аналогичного абиотического окружения. Такой подход может позволить в будущем обнаруживать неизвестные формы жизни как в Солнечной системе, так и на недавно обнаруженных экзопланетах, основываясь только 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 Кемпиньским, который признался, что его вдохновил Эрвин Шредингер. В его теоретической схеме, разработанной для объяснения психических расстройств (теория информационного метаболизма ), разница между живыми организмами и другими системами объяснялась как способность поддерживать порядок. В отличие от неодушевленной материи, организмы поддерживают особый порядок своих телесных структур и внутренних миров, который они навязывают своему окружению и передают новым поколениям. Жизнь организма или вида прекращается, как только он теряет эту способность. Поддержание этого порядка требует постоянного обмена информацией между организмом и его окружением. У высших организмов информация приобретается в основном через сенсорные рецепторы и метаболизируется в нервной системе. Результатом является действие - некоторая форма движения, например движения, речи, 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 иерархии ценностей, 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 теория информационного метаболизма Кемпинского может быть рассмотрена как расширение Леона Бриллюэна принципа негэнтропии информации. В 2011 году понятие «психологическая энтропия» было вновь предложено психологам Хиршем и др. Подобно Кемпински, эти авторы отметили, что управление неопределенностью является важной способностью для любого организма. Неопределенность, возникающая из-за конфликта между конкурирующими перцептивными и поведенческими аффордансами, субъективно переживается как тревога. Хирш и его сотрудники предложили, что и перцепционная, и поведенческая области могут быть концептуализированы как распределения вероятностей и что степень неопределенности, связанная с данным перцептивным или поведенческим опытом, может быть количественно определена в терминах энтропии Клода Шеннона. формула.

Возражения

Энтропия хорошо определена для равновесных систем, поэтому возражения против распространения второго закона и энтропии на биологические системы, особенно в том, что касается его использования для поддержки или дискредитации теории эволюции, были заявлены. Живые системы и многие другие системы и процессы во Вселенной далеки от равновесия, тогда как второй закон кратко утверждает, что изолированные системы эволюционируют к термодинамическому равновесию - состоянию максимальной энтропии.

Однако энтропия хорошо определяется в гораздо более широком смысле, основываясь на вероятностях состояний системы, независимо от того, является ли система динамической (для которой может иметь значение равновесие). Даже в тех физических системах, где может иметь значение равновесие, (1) живые системы не могут существовать изолированно, и (2) второй принцип термодинамики не требует преобразования свободной энергии в энтропию по кратчайшему пути: живые организмы поглощают энергию из солнечный свет или из богатых энергией химических соединений и, наконец, вернуть часть такой энергии в окружающую среду в виде энтропии (обычно в форме тепла и соединений с низким уровнем свободной энергии, таких как вода и углекислый газ).

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-19 11:38:15
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте