Tämä kysymys on ällistyttänyt vuodesta 1863 kun Rudolph Clausius mietiskeli evoluution ja termodynamiikan suhdetta. Ludwig Bolzmann jatkoi tätä kysymystä eteenpäin ; Vuonna 1875 hän jatkoi Clausiuksen mietelmiä, täydensi niitä Kelvinin fysiikalla. Lopputuloksena syntyi konemetafora, jota voidaan pitää kysymyksen kannalta oleellisena. "The general struggle for existence of animate beings is not a struggle for raw materials - these, for organisms, are air, water and soil, all abundantly available - nor for energy which exists in plenty in any body in the form of heat, but a struggle for [negative] entropy, which becomes available through the transition of energy from the hot sun to the cold earth." 1876 Richard McCulloh kirjoitti termodynamiikasta teoksessa "Treatise on the Mechanical Theory of Heat and its Application to the Steam-Engine", joka keskittyi höyrykoneisiin. Hän kuitenkin piti biologiaa mielenkiintoisena ja esitti, että eliöt voivat elää johtuu siitä että ne käyttävät polttoainetta. "Everything physical being subject to the law of conservation of energy, it follows that no physiological action can take place except with expenditure of energy derived from food; also, that an animal performing mechanical work must from the same quantity of food generate less heat than one abstaining from exertion, the difference being precisely the heat equivalent of that of work."
Tässä on tärkeää huomata, että polttoainemetafora koskee yksilöitä. Ja elämällä on termodynamiikan kannalta kolme ulottuvuutta; (1) Evolutiivinen ulottuvuus jossa organismi lajina kehittyy ajan saatossa. (2) Toinen on lisääntymistason ulottuvuus, jossa organismit kykenevät monistamaan itseään ja (3) metabolinen ulottuvuus jossa organismit liikkuvat, kasvavat, uusiutuvat ja itse asiassa yksilönkehityksen vaiheessa monimutkaistuvat kun organismit vaihtavat muotoa elämänsä eri vaiheissa. ; Konemetafora iskee pääasiassa viimeiseen. Eliö muuttuu elämänsä aikana monimutkaisemmaksi, kun solut jakautuvat ja 1 tulee 2. Eikä tämä riko termodynamiikkaa. Eliöissä ei siis ole niin paljoa järjestystä, että se voisi ylittää auringon tarjoaman lämmön.
Kysymys on innoittanut myös Nobel -tason fyysikoita. 1944 ilmestyi "What is Life?" -kirja, jonka takana oli Erwin Schrödinger. Hänen ajatusmallinaan on se, että myös eliökunnan kehitys ja muut on ymmärrettävä hieman samantapaisesti. ; Hän ideoi että kehitys johtuu siitä että eliöt ikään kuin nauttivat negentropiaa ympäristöstään. Näin ollen vaikka eliökunnan kohdalla kehitys menisikin positiiviseen suuntaan, ikään kuin vastoin termodynamiikan lakeja, tämä rikkominen olisi näennäistä. Tässä konseptissa on oleellista, että elämä oli avoin systeemi. Konemetafora iskee tässä mukaan sitä kautta että aivan kuten elämä tarvitsee polttoainetta toimiakseen ja tätä kautta energia virtaa systeemin läpi, koskisi eliökuntaakin se, että energia virtaisi systeemin läpi vaikka aine kiertääisikin kehää systeemissä. Tämä tarkoittaa myös sitä, että elämä myös lisää entropiaa ympärilleen.
1: Tämä ajatus onkin ekologiassa hyvin merkittävä ; Koulussa opitaan että ainesta käytetään uudestaan, mutta energia virtaa systeemin läpi ja tähän tarvitaan valtava kuuma energialähde nimeltä aurinko, joka syytää lämpöä ja negentropiaa kaikkialle.
Tästä syntyi tilanne jossa lämpöoppi ei ole evoluutiota vastaan. Entropian säännön ehdottomuus koskee suljettuja systeemeitä. Näin ollen termodynamiikka ei falsifioi evoluutiota. Kysymys tämän jälkeen onkin ollut hieman eri asiasta. Nimittäin elämän suhteesta itseorganisoitumiseen. Kysymys ei enää olekaan siitä onko evoluutio termodynamiikkaa vastaan, vaan siitä onko termodynamiikka jollain syvällisellä tasolla evoluution puolella.
Tähän kuvioon astuu toinen Nobelisti, Ilya Prigogine. Hän esitti 1960 -luvulla, että elämä voisi olla jotain jota termodynamiikka jopa auttaa. Hänen tutkimuksissaan paljastui dissipatiatiivisuus (dissipative structures) ; On olemassa rakenteita jotka synnyttävät energiavirrassa järjestäytyneitä osajoukkoja. Ne mukautuvat energiavirtaan ja niillä on myös kyky itseorganisoitua ympäristön energiavirtojen muutoksiin. Ne säilyttivät rakenteensa ja niiden synty oli odotettavissa. Prigogine siis huomasi, että tälläiset järjestäytyneet osakokonaisuudet ovat paitsi mahdollisia, niin jopa sellaisia joita tulee odottaa. Tässäkin järjestäytynyt osakokonaisuus toki sylkee entropiaa ympärilleen, mutta se itse pysyy ehjänä. Prigoginen ajatuksissa elämässäkin oli kysymys dissipatiivisuudesta, ja että elämä olli termodynaaminen poikkeustila (non-equilibrium). ; Elämä siis ylläpitää itseään olemalla termodynaamisen epätasapainon tilassa. Sen muoto pysyy melko samana vaikka eliöiden aines koko ajan vaihtuu uudella aineksella. Tässä kokonaisuus koostuukin aineesta (ruoka, ilma, vesi...) ja osa on energiaa (pohjimmiltaan auringosta). Prigoginen elämässä elintoiminnot ovat oleelliset ; Ei ole elämää ilman elintoimntoja. Koska dissipatiiviset rakenteet vaativat sitä, että energia virtaa systeemin, kuten eliön elimistön, läpi. Termodynaaminen tasapaino tarkoittaa tässä kuolemaa ; "Equilibrium is death, non-equilibrium is life."
James Kay on myöskin ottanut peruslähtökohdaksi sen, että elämä on epätasapainotila. Hän meni jopa niin pitkälle, että hän ei pitänyt elämää termodynamiikan mukaisena, tai termodynamiikan ajamana. Hän esitti että itseorganisaatio johtaa siihen että on väistämätöntä että elämä syntyy. Tasainen lämpöjakauma ilman pienintäkään vaihtelua olisikin termodynaamisesti epätodennäköinen lähtötila. 1965 Joseph Kestin esitti, että jos jokin suljettu systeemi avataan, se johtaa erikoisiin tapahtumiin ja muutoksiin. Ja että tälläisessä syntyy epätasapainotila, jossa alun perin suljettu osio pyrkii kohti uutta tasapainotilaa. Tämä tasapainotila on attraktori, ja ei ole väliä onko se "kaukana" vai "lähellä" ; Riippumatta siitä, mikä on suljetun systeemin alkuorganisoitumistaso, kun sen rajoitteet avataan ja energia virtaa systeemin läpi tavalla jossa on kaksi erikoista piirrettä ; Prosessi on palautumaton (irreversible), niillä on suunta (direction) ja niillä on lopputila (end). Hän koki elämän tämänlaiseksi, ja kuolema on tasapainotila.
Prigogine ei toki ole "viimeisin sana". ; Itse asiassa Prigoginen näkemys ei ole saanut kannatusta kaikilta. Tässä yhtenä syynä on Dollon laki. Se johtaa siihen että biologinen evoluutio on palautumaton (irreversible). Sillä, että evoluutio ei toista itseään on hyvin vaikuttava evoluution kannalta, ja termodynamiikan kannalta sillä on aiheeseen vielä yllättävää lisävoimaa. Kun muistetaan että luonnonvalinta ei tarkoita progressiivisuutta vaan adaptiivisuutta ; Myös toiminnon poistuminen voi olla jossain olosuhteissa adaptiivista. Näin ollen evoluutio ei tarkoita kehitystä tai rappeutumista. Se, että evoluutiolla olisi suunta on itse asiassa kyseenalaisempi kuin voisi luulla. Tämä tarkoittaa sitä että luonnonvalinta on vain luonnossa oleva rajoite.
Edward Wileyn ja Daniel Brooksin ajatukset 1980 -luvulla esittivät, että evoluutiolla olisi suunta. Syynä ei ole luonnonvalinta vaan Dollon laki. Dollon laki johtaa siihen, että lisääntyminen, yksilönkehitys ja fylogenia ovat kaikki osa biologista organisoitumista joiden käytös on irreversiibeliä. Sama koskee sekä yksilönkehitystä että evoluutiota. Biologinen informaatio kasvaa, ja eliö lisää epäjärjestystä ympäristöönsä. Näin ollen termodynaamisesti ei ole väliä syökö ihminen ruokaa ja kasvaa vauvasta aikuiseksi, kuin se, että laji kehittyy bakteereista ihmisiksi. ; Wiley ja Brooks korostivat, että biologiset systeemit eivät ole Prigoginen esittämiä dissipatiatiivisia rakenteita. He ottivat tässä ytimeen sen, että yksilö ei kehity evolutiivisesti. Että laji kehittyy. ; Termodynaamisen rakenteen sijaan organisaatio redusoituu geneettiseen informaatioon. Tämä on koodattua ja perinnöllistä. Yksilöt eivät muutu geneettisesti säännönmukaisesti. Siksi huomio pitää poistaa syömisfiksaatiosta (tai konemetaforasta) ja siirtyä katsomaan genetiikkaa. ; Luonnonvalinta näyttäytyy tässä mielenkiintoisesti. Koska perimä rakentaa koneiston, jossa merkittävää on potentiaali mukautua ja ylläpitää homeostaasia. Jos ympäristöstä vuotaa energiaa yksilöön, tämä potentiaali aktualisoituu. Ja säilyminen tarkoittaa että tämä energia säilyy struktuurissa - sitä kautta että se kopioituu eteenpäin. Luonnonvalinta on siis karsiva voima, jossa energia transformoituu perimäksi lajitasolla. Näin ollen koneanalogia murtuu. Eliöt ovat dissipatiatiivisia rakenteita yksilöinä, mutta pidemmissä aikaväleissä ne ovat enemmänkin laajentuvia systeemeitä (expanding phase space systems).
1: Tämä on sinällään tärkeää, että esimerkiksi jäätymisessä organisoituminen perustuu siihen että entropiaa vuotaa ympäristöön ja atomien sidosvoimat vetävät molekyylit kidejärjestykseen. Evoluutiossa tarvitaan sidosvoimiin verrattava voima. Esimerkiksi 1984 kirjoitettu Thaxtonin, Bradleyn ja Olsonin yhteistyöteos "The Mystery of Life's Origin" esittämä haaste saakin tässä vastauksensa. Evoluutio ei ole vain satunnaisia mutaatioita. Luonnonvalinta on termodynaamisesti rajoite. Muissakin malleissa kuin tässä mainitussa.
Modernina aikana elämän termodynamiikkaa on alettu katsomaan Gibbsin energiana eikä entropiana. Tämä näkemys korostaa, että biologiset prosessit tapahtuvat suhteellisen vakaissa lämpötiloissa ja paineessa. Ja tässä kontekstissa Gibbsin energia on paljon käytännöllisempi tapa katsoa asiaa. ; Tässä olennaista, on että Gibbsin vapaa energia minimoidaan, joka suljetuissa tiloissa johtaa entropian maksimoitumisperiaatteeseen. Avoimissa systeemeissä kemikaalinen potnentiaali ohjaa prosessia. Tässä kohden ytimeen on noussut se, että elämä kasvaa ja jakautuu siten, että ne luovat ympäristöönsä epäjärjestystä. Esimerkiksi John Avery on 2003 ilmestyneessä kirjssaan "Information Theory and Evolution" esittänyt, että elämä (elintoiminnot, evoluutio ja jopa elämän synty ja kulttuurievoluutio) ovat liitoksissa termodynamiikkaan, statistiseen mekaniikkaan ja informaatioteoriaan syvällisesti. Ja että kaiken ytimessä on Gibbsin energian virtaaminen maapallolle. ; Tätä näkemystä on vahvistettu tutkimuksella, joka kiinnostanee (etenkin suomalaista). Ville Kaila ja Arto Annila ovat tehneet vuonna 2008 tutkimuksen "Natural Selection for least action", jossa evoluutio nimenomaan on termodynamiikan toisen pääsäännön tukema - eli juuri toisin päin kun aiemmin on monesti ajateltu. Heidän tutkimuksensa ytimessä on se, että juuri luonnonvalinta on selittävä mekanismi. Se nimenomaan on vastuussa siitä että Gibbsin energia kasvaa lokaalisti. Ja tämä on johdettavissa suoraan termodynamiikan toisen lain määritelmästä avoimien järjestelmien epätasapainotiloissa. Näin ollen luonnonvalinta on järjestyksen kasvun takana samaan tapaan kuin atomien sidosvoimat sitovat jään kiteiksi (organisoituneeksi järjestelmäksi).
Tämä on pääasiassa aatehistorian esittelyä. Sitä kirjoittaessani en voi kuitenkaan olla miettimättä sitä, miten kreationistit selittävät elämän olevan termodynaamisesti kaukana, ja uskovat että paras selitys olisi tuottaa eliökunta heti. Heidän aatehistoriansa ja mekaniikkansa eivät kata samanlaista kehityshistoriaa ja termodynamiikan kaavoihin sitoutumista. Sen sijaan korttina on aina ollut "mysteeri" jossa termodynamiikkaa voidaan rikkoa ihan miten vain. Jos tämänlainen on Jumalan mahdissa, hän varmasti voisi tuottaa rukouksesta lähtevän ikiliikkujakoneen. Kreationistit ovat olleet kovin haluttomia tutkimaan tätä vaihtoehtoa.
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti