Yaşam Entropi Kanunlarının Sonucu mu?

İle Stepon İskender ve Salvador Almagro-Moreno

Aşağıdaki, Kayıp Uzay-Zaman bültenimizden bir alıntıdır. Her ay, klavyeyi bir veya iki fizikçiye, evrenin kendi köşesinden büyüleyici fikirleri size anlatması için veriyoruz. Kayıp Uzay-Zaman’a kayıt olabilirsiniz. burada.

Zamanın başlangıcında, evren, büyük patlama, atom altı parçacıkların atomlara, moleküllere ve nihayetinde bugün gördüğümüz gezegenlere, yıldızlara ve galaksilere kümelenmesine yol açan bir olaylar zincirini başlatıyor. Yaşamı ve evrenin oluşumunu genellikle ayrı ya da ayrı olarak görmemize rağmen, bu olaylar zinciri de bize yol açtı. “örtüşmeyen magisteria” biyolog Stephen Jay Gould’un ifadesini ödünç almak için.

Kozmologlar için, yaşam gibi karmaşık sistemler, çözmeye çalıştıkları problemler için, örneğin büyük patlama veya standart parçacık fiziği modeliyle ilgili olanlar gibi, çok az önemli görünmektedir. Benzer şekilde, biyologlara göre yaşam, görkemli evrenin olaylarından ayrılmış bir biyosferde barındırılır. Ama bu doğru mu?

John von Neumann da dahil olmak üzere önemli bilim adamları, Erwin SchrödingerClaude Shannon ve Roger Penrosehayata ve evrene birlikte bakmaktan elde edilecek içgörüler olabileceği fikrini eğlendirdiler.

Fizikçi Erwin Schrödinger’in görüşleri, biyolojideki cüretkar spekülasyonları ve tahminleri son derece etkili olduğu için özellikle ilginçti. 1943’te Trinity College Dublin’de sonunda küçücük ama güçlü bir kitap olarak yayınlanacak olan bir dizi konferans verdi. Hayat nedir? İçinde, yaşamın cansız maddelerden nasıl ortaya çıktığını açıklamak için fiziğin biyoloji ve kimya ile nasıl bir araya gelebileceği üzerine spekülasyonlar yaptı.

Schrödinger, bir yıldızı tanımlayan aynı fizik yasalarının, canlı bir hücre içindeki karmaşık metabolizma süreçlerini hesaba katması gerektiğine inanıyordu. Zamanının fiziğinin, canlı hücreler hakkında yapılmış dahiyane deneysel bulguların bazılarını açıklamak için yetersiz olduğunu biliyordu, ancak bildiği fiziği biyolojiyi açıklamak için kullanmaya çalışarak, her şeye rağmen devam etti.

Dedi ki Kuantum mekaniği Atomları kararlı hale getirmek ve hem canlı hem de cansız maddede bulunan moleküllerde bağ kurmalarını sağlamak için gerekli olduğundan, yaşamda kilit bir rol oynamalıdır. Metal gibi cansız maddeler için kuantum mekaniği, moleküllerin periyodik kristaller – yüksek derecede simetriye sahip molekül kafesleri gibi ilginç şekillerde organize olmasına izin verir. Ancak periyodikliğin yaşam için çok basit olduğuna inanıyordu; bunun yerine canlı maddenin periyodik olmayan kristaller tarafından yönetildiğini düşündü. Bu tür tekrarlanmayan moleküler yapının, “bireyin gelecekteki gelişiminin ve olgun durumdaki işleyişinin tüm modeline” yol açacak bir “kod yazısı” içermesi gerektiğini öne sürdü. Başka bir deyişle, erken bir tanımla karşılaşıyordu. DNA.

Bir yabancının yaklaşımı

Schrödinger’in zamanından önce, biyologlar gen fikrine çarpmışlardı, ancak bu sadece tanımlanmamış bir kalıtım birimiydi. Bugün, genlerin hücre yapılarını ve mekanizmalarını programlayan ve canlı organizmaların kaderini belirleyen bir kod tarafından yönetildiği fikri o kadar tanıdık geliyor ki, sağduyu gibi geliyor. Yine de, bunun moleküler düzeyde tam olarak nasıl başarıldığı, biyologlar tarafından hâlâ alay konusu ediliyor.

Özellikle dikkate değer olan şey, Schrödinger’in hipotezini formüle etmek için kuantum mekaniğinden kaynaklanan akıl yürütmeyi kullanmasıdır. Biyolojiye yabancıydı ve bu doğal olarak farklı bir yaklaşım getirmesini sağladı.

Fizik ve biyoloji, Schrödinger’in zamanından beri çok ilerledi. Aynı süreci takip edip bugün hayat nedir diye sorsak??

Bu bültenin yazarları olarak bizler, yıllar içinde bir model geliştirdik. Bazen bir içki içerken, fikir alışverişinde bulunmak ve kozmoloji veya moleküler biyoloji konusundaki en son düşüncelerimizi paylaşmak için buluşuyoruz. En sevdiğimiz caz veya flamenko müzisyenlerini dinlerken çoğu zaman geç saatlere kadar konuşurduk. Kısmen, sohbetlerimiz, Schrödinger’in yaptığı gibi, birbirimizin araştırmalarına fayda sağlamayı umduğumuz gibi, kasıtlı olarak dışarıdan bir bakış açısı yaratma alıştırmasıdır. Ama aynı zamanda çok eğlenceli.

Spesifik olarak, 2014’ten beri, bazı yayınlarımızda gösterildiği gibi, canlı sistemler ile kozmoloji arasında gizli bir karşılıklı bağımlılık olduğuna dair ortak bir sezgi geliştirdik. Bunu anlamak için şunu konuşmamız gerekiyor. entropibir düzensizlik ölçüsü ve hem biyolojik hem de kozmolojik ölçeklerde evrende nasıl aktığı.

Erken evrende, yıldızlar ve gezegenler olmadan önce, uzay çoğunlukla eşit miktarda radyasyon ve madde ile doluydu. Bu karışım ısındıkça ve daha fazla hareket ettikçe daha az düzenli hale geldi ve entropisi arttı. Ancak evren genişledikçe, radyasyonu ve maddeyi homojen, düzenli bir şekilde dağıtarak evrenin entropisini düşürdü.

Evren daha da genişleyip soğudukça yıldızlar, galaksiler ve yaşam gibi karmaşık yapılar oluştu. bu termodinamiğin ikinci yasası entropinin her zaman arttığını, ancak bu yapıların kozmosun geri kalanından daha fazla düzene (ve dolayısıyla daha az entropiye) sahip olduğunu söylüyor. Evren bundan kurtulabilir, çünkü düşük entropi bölgeleri kozmik yapılarda yoğunlaşırken, bir bütün olarak evrendeki entropi hala artar.

Bu entropi düşürücü yapı ağının, gezegenlerdeki biyosfer ve yaşam için ana para birimi olduğuna inanıyoruz. Termodinamiğin babası Ludwig Boltzmann’ın dediği gibi: “Bu nedenle, canlı varlıkların varoluşu için verilen genel mücadele, hammaddeler için bir mücadele değil… Bu, enerjinin sıcak güneşten soğuk dünyaya geçişiyle elde edilebilir hale gelir.”

Acil fenomenler

Evren homojenlikten saptıkça, düşük entropi yapıları tohumlayıp oluşturarak, evrenin başka yerlerinde entropi büyümeye devam ediyor. Ve entropi de bu yapılar içinde büyüme eğilimindedir. Bu, entropiyi veya onun yokluğunu yıldızlar ve yaşam gibi kozmik yapıların sürdürülmesinde kilit bir oyuncu yapar; bu nedenle, düşük entropili erken cansız bir evren, burada Dünya’daki yaşam için gereklidir. Örneğin güneşimiz, Dünya’daki bitkilerde elektronlar tarafından emilen ve yaşamaları gereken işlevlerde kullanılan enerjiyi yayar. Bitkiler bu enerjiyi ısı şeklinde salarak evrene alındığından daha fazla entropi verir.

Ne yazık ki, erken evrende entropinin neden bu kadar düşük olduğunu şu anki fizik anlayışımızla açıklamak zor. Aslında, büyük patlamadan talep ettiğimiz bu düşük entropi sorunu, bu teorinin en büyük sorunlarından biridir.

Hikayenin biyoloji tarafı, Salvador’un zararsız bakteri popülasyonlarının evrimleşmesine ve patojenler olarak ortaya çıkmasına neden olan genetik ve ekolojik etkenlere yönelik araştırmasından kaynaklanmaktadır. Hikaye için çok önemli olan, bunun sadece bakterilerin genetik koduyla ilgili bir soru olmamasıdır. Salvador’un mantralarından biri, yaşamın çevreden gelen baskılardaki sürekli ve beklenmedik değişikliklere yanıt veren uyarlanabilir bir fenomen olduğudur.

Bu, bir organizmayı, nihai şeklinin onu oluşturan bireysel parçalarda içermediği, ancak ait olduğu bir dizi daha büyük sistemden etkilenebildiği, ortaya çıkan bir fenomen yapar. Canlılar, çevre aracılığıyla aracılık edilen bir etkileşimler ağından oluşur. Canlı bir sistem, genel işleyişini sürdürmek için milyarlarca hücreyi düzenleyebilir. Bunun ötesinde, organizma koleksiyonları, aynı zamanda dinamik bir dengeyi koruyan, ekosistem adı verilen bir ağa aittir.

Bu, hayatın en büyük ölçeklerindeki ağlara kadar uzanır. Dünyanın kendi kendini düzenleyen bir ekosistem olduğu fikri, bilim adamları tarafından birlikte keşfedildi. James Lovelock ve 1970’lerde Lynn Margulis olarak tanındı. Gaia hipotezi. Bizim için paket servisi, negatif entropi akışının sadece bireysel canlılar için değil, tüm Dünya için var olduğudur.

Güneş, Dünya’ya serbest enerji gönderir ve bir karmaşık etkileşimler zinciri yoluyla, enerji, her biri artan düzensizlik karşısında karmaşıklığını sürdürmek için ona güvenen bir etkileşim ağı aracılığıyla canlılara dağıtılır. Yaşamın rolünü termodinamik çerçevesinde bağlamsallaştırmak için, bu düzen oluşturan yapıları (hücre gibi) Negentropi Birimleri veya UON’ler olarak tanımlarız. Ama bedava öğle yemeği diye bir şey yok. UON’lar bu enerjiyi çevreye geri saldıklarında, bunu çoğunlukla alınandan daha yüksek entropiye sahip bir biçimde yaparlar.

Canlı sistemler, UON’lar ve evrenin evrimi arasındaki bu esrarengiz paralellik bir tesadüf gibi görünebilir, ancak biz bunu bu şekilde düşünmemeyi tercih ediyoruz. Bunun yerine, kozmosun evriminin ve yaşamın varlığının merkezi bir düzenleyici ilkesi olduğunu öneriyoruz. Salvador buna entroposentrik ilke, güçlü biçiminde evrenin yaşam için ince ayarlı olduğunu belirten antropik ilkeye göz kırpma demeyi seçti. Bunun nedeni, doğa yasalarının yaşam için doğru gibi görünmesidir. Örneğin, atomların kalplerini birbirine bağlayan nükleer kuvvetin gücü yüzde birkaç farklı olsaydı, yıldızlar karbon üretemez ve karbon temelli yaşam olmazdı.

İnce ayar sorunu göründüğü kadar ciddi olmayabilir. Stephon meslektaşlarıyla yaptığı araştırmada, yerçekimi ve elektromanyetizma gibi doğanın sabitlerini aynı anda değiştikleri sürece değiştirmelerine izin verdiğimizde bile evrenin yaşama uygun olabileceğini gösterdi. Belki de sonuçta antropik ilkeye ihtiyacımız yoktur. Öte yandan, entroposentrik prensibi sarsmak daha zordur. Evren, daha düşük entropili bölgeler yaratmasını sağlayan yollar sağlayamamış olsaydı, bildiğimiz gibi yaşam olmazdı. Bu bizi meraklandırıyor: kozmik bir biyosferde mi yaşıyoruz yoksa evren kozmik bir hücre mi?

Stephon Alexander, teorik bir fizikçidir. Kahverengi Üniversitesi Rhode Island’da zamanını kozmoloji, sicim teorisi ve caz hakkında düşünerek geçiren ve evren kendi kendine öğrenen bir yapay zekadır. Kitabın yazarıdır. Kara Evren Korkusu. Salvador Almagro-Moreno, moleküler biyologdur. Merkez Florida Üniversitesi Protein evriminden pandemik dinamiklere kadar karmaşık biyolojik sistemlerde ortaya çıkan özellikleri araştıran Dr.

Bu konular hakkında daha fazlası: