Каковы аргументы в пользу соотношения жизни и энтропии?

Первый пункт прост в решении. Газ, находящийся в углу комнаты, имеет меньшую энтропию, чем газ, рассеянный по всей комнате, потому что ему соответствует меньшее количество доступных микросостояний. Точно так же вы можете рассмотреть один конкретный организм, который имеет очень упорядоченную структуру. Большинство атомов просто должны быть там, где они должны быть, иначе вы умрете; конечно, все еще существует изменчивость, объясняющая разнообразие видов, но это разнообразие не распространяется на ваши молекулы, летающие вокруг в виде газа. Итак, жизнь находится в гипотетическом маленьком уголке комнаты, представляющем все возможные порядки атомов.

Существует также мнение, что живые организмы снижают энтропию своего окружения. Это действительно правильно. Опять же, каждая упорядоченная система должна иметь более низкую энтропию, чем неупорядоченная система (поскольку в ней меньше доступных микросостояний), и поэтому, если вы превратите кучу грязи в дом, вы снизите энтропию своего ближайшего окружения. Но в процессе упорядочивания вы затрачиваете огромное количество работы и тепла и увеличиваете общую энтропию Вселенной.

Что касается происхождения жизни, я не уверен в связи со вторым законом. Для меня это просто вопрос вероятности. Во всяком случае, это похоже на применение теоремы о возвращении Пуанкаре (которая на самом деле отрицает второй закон или, точнее, излагает его только как статистическое утверждение, которое в конечном итоге обречено на провал). Скажем, протожизнь определяется как определенные маленькие молекулы, которые начинают проявлять некоторые признаки жизни (размножение? самокоррекция? наличие определенных метаболических процессов? Я оставлю это специалистам по жизни). Это все еще сложные упорядоченные системы, и поэтому их формирование маловероятно, но океанические воды молодой Земли, вероятно, были достаточно большими, чтобы количество микроскопических неупорядоченных систем было сравнимо со временем повторения, связанным с ними.

Примечание: так почему же мы не видим, как разбитые яйца собираются в настоящие неразбитые яйца? Ответ: потому что это займет время$t \sim \exp({\Delta S \over k})$. Так что, если у вас есть достаточно времени (или, что то же самое, достаточно яиц), вы увидите, как он собран. Проблема в том, что эти времена огромны для макроскопических объектов. Но для протообъектов, с которых началась эволюция жизни, это время должно быть достаточно небольшим (несколько сотен миллионов лет).

Живые организмы представляют собой низкоэнтропийные системы.

Очевидно, что энергия, исходящая от Солнца, питает жизнь на Земле. Хотя есть некоторые микроорганизмы, которые используют геотермальную энергию, это верно для подавляющего большинства живых существ.

Энергетический баланс Земли достаточно хорошо изучен, учитывая, что Солнце изливает$174\times 10^{15} W$энергии в нем, и Земля переизлучает всю ее (при условии теплового равновесия) за счет отражения (30%), излучения облаков (64%) и излучения земли (6%).

Итак, поскольку энергия, исходящая от Солнца, также уходит с той же скоростью, откуда берется вся энергия, необходимая для жизни?
Его можно проследить через пищевую цепь до фотосинтеза , который создает более сложные и энергичные молекулы и генерирует отработанное тепло (излучение черного тела). В то время как общий баланс энтропии положительный , фотосинтез уменьшает энтропию растения, увеличивая энтропию окружающей среды.

Таким образом, ваше утверждение нужно понимать в этом контексте: то, что питает жизнь, — это не энергия Солнца, а тот факт, что эта энергия имеет достаточно низкую энтропию, чтобы Земля могла излучать энергию обратно через излучение черного тела, уменьшая энтропию локально.

Второй закон термодинамики каким-то образом тесно связан с происхождением самой жизни.

Единственное, что я могу придумать в связи с этим утверждением, это то, что некоторые креационисты пытались возражать против абиогенеза на основе закона энтропии — в том смысле, что сложные упорядоченные системы, такие как живые существа, имеют более низкую энтропию, чем мертвая система с те же атомы без структуры. Что верно — и объяснение того, почему абиогенез не обязательно нарушает закон энтропии, содержится в моих рассуждениях выше.

Энтропия и второй закон термодинамики связаны с жизнью, потому что жизнь стала возможной благодаря потокам энергии, подразумеваемым вторым законом, а также выборочному хранению и управлению биохимией, которые стали возможными благодаря этим потокам.

Живые организмы представляют собой низкоэнтропийные системы.

В классической термодинамике энтропия является мерой термодинамической доступности энергии системы. Таким образом, система с низкой энтропией имеет доступную энергию в форме, которая может быть использована для выполнения работы, в то время как система с высокой энтропией имеет относительно меньше доступной энергии. С другой стороны, энтропию можно рассматривать как меру беспорядка, где низкая энтропия означает относительно упорядоченную систему, а высокая энтропия означает неупорядоченную систему. Наконец, в статистической механике энтропия может также относиться к содержанию информации, где низкая энтропия означает относительно более высокое содержание информации, чем высокая энтропия.

Живые организмы имеют низкую энтропию по всем трем связанным показателям. Чем сложнее организм, тем более верно это утверждение. Живые организмы хранят энергию и делают ее доступной для метаболических процессов, необходимых для движения, питания, мышления и т. д. Организмы — это высокоупорядоченные системы, самые сложные системы, которые мы когда-либо видели во Вселенной. Организмы также обладают очень высоким информационным наполнением. Органические системы контролируются с помощью сложной смеси химической, электрической и генетической информации, которую мы даже не до конца понимаем на данный момент, даже для самых простых одноклеточных организмов. Это самые высокоупорядоченные известные системы.

Второй закон термодинамики каким-то образом тесно связан с происхождением самой жизни.

Второй закон термодинамики гласит, что в закрытой системе энтропия будет иметь тенденцию к увеличению и что энтропия будет течь из области с низкой энтропией в область с высокой энтропией. Это относится к жизни двумя конкретными способами:

1. В целом это делает жизнь менее вероятной, поскольку жизнь должна возникать в результате случайной флуктуации в состояние с низкой энтропией. Поскольку энтропия обычно увеличивается, со временем энтропия системы будет выше и, следовательно, с меньшей вероятностью зародится жизнь.

2. Это делает жизнь более вероятной на такой планете, как Земля, которая находится в середине энтропийного градиента потоков энтропии от Солнца с очень низкой энтропией наружу к Солнечной системе с относительно высокой энтропией. Поверхность океана представляет собой край очень крутого термодинамического градиента, где энергия солнца смешивается с относительно прохладной водой океана. В этих градиентах гораздо более вероятно, что случайные флуктуации приведут к молекуле с очень низкой энтропией, такой как аминокислота или, в конечном итоге, ДНК, потому что существует непрерывный поток энергии от Солнца через градиент. Эта энергия делает возможными различные эндотермические химические реакции, увеличивает скорость химической реакции и является источником энергии для непрерывного преобразования в метаболических целях для любых живых организмов.

Так что оба утверждения верны.

Со времен Больцмана и Клаузиуса наше понимание систем, далеких от равновесия, резко возросло. События последних двух десятилетий также показали, что 2-й закон — в его классическом понимании — не был всем и концом всего, когда дело доходило до понимания возникновения сложных систем, таких как жизнь.

Хорошее место, чтобы узнать об этих открытиях, — это теорема о флуктуациях , впервые предложенная в 1993 году Денисом Эвансом, Коэном и Морриссом. Цитата из аннотации статьи в Википедии:

В то время как второй закон термодинамики предсказывает, что энтропия изолированной системы должна увеличиваться до тех пор, пока она не достигнет равновесия, после открытия статистической механики стало очевидным, что второй закон является только статистическим, предполагая, что всегда должно быть некоторое ненулевое значение . вероятность самопроизвольного уменьшения энтропии изолированной системы; теорема о флуктуациях точно определяет эту вероятность.

(выделено мной). В конечном счете, все системы жизни используют эту слабость 2-го закона — то, что это статистическое утверждение, а не микроскопический закон. Эти теоремы о флуктуациях продемонстрировали, что при правильных условиях изолированная система может использовать возможность того, что ее «энтропия может самопроизвольно уменьшаться». Чтобы иметь возможность использовать эту возможность, рассматриваемая система должна быть сравнима по размеру с тепловыми флуктуациями в окружающей ее среде. Это верно для всех биологических моторов, таких как те, которые отвечают за производство энергии с помощью АТФ, миозиновые моторы, которые контролируют движение мышц, и искусственно созданные наномашины.

Помимо этих соображений, есть еще тот факт, что живые системы всегда далеки от равновесия. Когда, например, «креационисты» пытаются использовать 2-й закон в качестве аргумента в пользу, скажем так, «творения», они забывают, что мы живем в присутствии звезды, которая постоянно снабжает Землю энергией, в результате чего планета оказывается далекой от тепловой. равновесие в макроскопическом масштабе, так что никакое применение 2-го закона в его традиционной форме, т. е. без учета теоремы о флуктуациях, невозможно.

Резюме: Если мы хотим хотя бы начать осмысленно говорить о таких вопросах, мы должны понимать статистическую механику неравновесных систем, что мы только начали делать.