• Saturday July 20,2019

Voľná ​​energia a zmysel života

Anonim

Keď premýšľame o "zmysle života", máme tendenciu vyvolať myšlienky, ako je láska alebo sebaaktivácia, spravodlivosť alebo ľudský pokrok. Je to antropocentrický pohľad; pokús sa presvedčiť modrozelené riasy, že sebakontrola je nejaký druh cnosti. Nechajte sa namiesto toho opýtať, prečo "život", ako biologický koncept, skutočne existuje. To znamená: vieme, že entropia sa zvyšuje, keď sa vesmír vyvíja. Ale prečo, po ceste z jednoduchého a nízkej entropie skorého vesmíru do jednoduchého a vysoko entropického neskorého vesmíru prechádzame našou súčasnou dobou ohromnej zložitosti a organizácie, ktorá vyvrcholí komplikovanými chemickými reakciami, ktoré vieme ako život?

Včerajší knižný klub sa odvolal na ponaučivú víziu Maxwellovho démona ako paradigmu pre život. Demon prijíma voľnú energiu a používa ju na udržanie oddelenia horúcich a studených strán krabice plynu - trvalého odchodu z tepelnej rovnováhy. Ale čo keď sme zvrátili príbeh? Namiesto toho, aby si myslel, že démon využíva slobodnú energiu na to, aby pomohol napredovať vo svojej hanebnej anti-termodynamickej agende, čo by sme si predstavovali, že slobodná energia jednoducho používa démona - to znamená konfigurácie mimo rovnováhy označené ako "život" jeho vlastné pro-termodynamické účely?

Energia je zachovaná, ak odložíme niektoré jemnosti spojené s všeobecnou relativitou. Ale je tu užitočná energia a zbytočná energia. Keď spaľujete benzín do vášho automobilového motora, množstvo energie sa naozaj nezmení; niektoré z nich sa premení na pohyb vášho auta, zatiaľ čo niektorí sa rozptýlia do zbytočných foriem, ako je hluk, teplo a výfuk, čím sa zvyšuje entropia pozdĺž cesty. Preto je užitočné vymyslieť koncepciu "voľnej energie", aby ste sledovali, koľko energie je skutočne k dispozícii na to, aby ste mohli robiť užitočnú prácu, napríklad zrýchlenie auta. Zhruba povedané, voľná energia je celková energia mínus teplota entropického času, takže voľná energia sa spotrebuje až sa entropia zvyšuje.

Pretože druhý zákon termodynamiky nám hovorí, že entropia sa zvyšuje, história vesmíru je príbehom rozptýlenia slobodnej energie. Energia chce byť premenená z užitočných foriem na zbytočné formy. Ale nemusí sa to diať automaticky; niekedy môže konfigurácia s nadbytočnou voľnou energiou trvať dlho, kým niečo príde, aby ju posunulo do formy s vyššou entropiou. Benzín a kyslík sú horľavou zmesou, ale stále potrebujete iskru na zapaľovanie.

Toto je miesto, kde prichádza život, prinajmenšom podľa jedného pohľadu. Zrejme (určite nie som odborníkom na tieto veci) existujú dve konkurenčné teórie, ktoré sa pokúšajú vysvetliť prvé kroky, ktoré sa uskutočnili k životu na Zemi. Jedným z nich je obraz "replikátor-prvý", v ktorom bol kľúčový skok z chémie k životu prijatý molekulou, akou je RNA, ktorá sa dokázala reprodukovať sama, a prenášala informácie na nasledujúce generácie. Súťažiaci je "prvotný obraz", kde dôležitým krokom bol súbor interakcií, ktoré pomohli uvoľniť voľnú energiu v atmosfére mladého Zeme. Môžete si prečítať niekoľko poznatkov o týchto dvoch možnostiach v tomto profile Mika Russella (pdf), jedného z popredných obhajcov metabolizmu - prvý pohľad.

Čítal som trochu o týchto veciach, pretože som chcel prejsť za dosť zjednodušeným náčrtom, ktorý som prezentoval v mojej knihe o vzťahu medzi entropiou a životom. Tak som urobil malý prieskum a našiel som nejaké doklady od Erica Smitha v Santa Fe Institute. Smith absolvoval celkom akademickú cestu; jeho Ph.D. bol v teórii strún, pracoval s Joe Polchinskiom a teraz uplatňuje nápady zo zložitosti na rôzne otázky ako ekonomika a pôvod života.

V sobotu som bol na dlhej lietadle jazdy z LA do Bozeman, Montana cez Denver. Takže som vytiahol jeden zo Smithových dokumentov a začal som ho čítať. Pár sa posadil vedľa mňa a manžel povedal: "Ó áno, Eric Smith. Viem dobre svoju prácu. "Táto dobre čitateľná osoba sa ukázala ako niečo iné ako Mike Russell, uvedený v profile nahoře. Tu som sa pokúsil dozvedieť sa o entropii a pôvode života a jeden zo svetových expertov sedí priamo vedľa mňa. (Nie je to úplná náhoda, Russell je na JPL a my sme sa obaja vydali na plenárnych rokovaniach na výročnej konferencii IEEE Aerospace.)

Tak som vysvetlil Mikeovi (teraz sme kamaráti), čo som sa snažil pochopiť, a on ihneď povedal "Ach, to je ľahké. Cieľom života je hydrogenizácia oxidu uhličitého. "(Pozri vyššie uvedený obrázok, ktorý bol prevzatý z rozhovorov Eric Smithovej.)

To môže byť niečo farebného preháňania, ale za týmto nápadom je niečo fascinujúce a provokatívne. Veľmi zjednodušená verzia príbehu spočíva v tom, že Zem bola v prvých dňoch dosť teplejšia než dnes a atmosféra bola plná oxidu uhličitého. Pri vysokých teplotách je to stabilná situácia; ale akonáhle sa Zem ochladí, bolo by energeticky priaznivé, aby tento CO 2 reagoval s vodíkom na výrobu metánu (a ďalších uhľovodíkov) a vody. To znamená, že v tomto CO 2 je veľa voľnej energie, len čaká na prepustenie.

Problém je v tom, že existuje chemická bariéra, ktorá skutočne uvoľňuje energiu. Vo fyzikovi hovoríme: Zemská atmosféra bola zachytená v falošnom vákuu. Neexistuje žiadna reakcia, ktorá by vás priviedla priamo z CO 2 a vodíka do metánu (CH 4 ) a vody; musíte prejsť sériou reakcií, aby ste sa tam dostali. A prvé kroky pozdĺž cesty predstavujú potenciálnu bariéru: spotrebúvajú energiu skôr než uvoľňovať ju. Tu je dej z jedného z Russellových rozhovorov o voľnej energii na atóm uhlíka rôznych krokov pozdĺž cesty; hľadá celý svet ako parciálny fyzik 's plotom potenciálnej energie poľa zachyteného v metastabilnom vákuu. (Rôzne krivky predstavujú rôzne prostredia.)

Tu je tu odvážna hypotéza: život je spôsob prírody, ktorý otvorí chemický kanál, ktorý uvoľní všetku voľnú energiu dopĺňajúcu oxid uhličitý v atmosfére mladého Zeme. Moje vlastné chápanie je v tomto bode trochu rozmazané, ale základná myšlienka je zrozumiteľná. Aj keď neexistuje žiadna jednoduchá reakcia, ktorá by brala CO 2 priamo na uhľovodíky, existujú komplikované série reakcií, ktoré tak robia. Niektoré druhy membrány (napr. Bunková stena) pomáhajú oddeliť príslušné chemikálie; rôzne anorganické zlúčeniny pôsobia ako enzýmy na urýchlenie reakcií. Dôvodom zložitosti života, ktorý je nízka entropia považovaná za sama o sebe, je, že pomáha zväčšiť obraz entropie.

V bežnej štatistickej mechanike hovoríme, že konfigurácie s vysokou entropiou sú pravdepodobnejšie ako tie s nízkou entropiou, pretože tu je jednoducho viac. Ale táto logika neprejde úplne, ak sa nedokážete dostať na konfigurácie s vysokou entropiou jednoduchým spôsobom. Napriek tomu sa môže dostatočne komplikovaný systém odraziť v konfiguračnom priestore, skúšať rôzne možnosti, až kým nenarazí na niečo, čo vyzerá pomerne zložito a nepravdepodobné, ale je v skutočnosti veľmi užitočné pri napomáhaní systému ako celku vyvíjať sa do stavu s vyššou entropiou, To je život (ako to bolo). Nie je to tak odlišné od iných prípadov, ako sú hurikány alebo turbulencie, v ktorých sa zjavná zložitosť vyskytuje v prirodzenom priebehu udalostí. je to všetko o tom, že využite túto bezplatnú energiu.

Samozrejme, že tento príbeh zanedbáva veľa a veľa z toho je absencia úplného pochopenia z mojej strany, aj keď niektoré z toho je, že jednoducho nevieme všetko o živote ešte. Po prvé, aj keď ste prvým sympatizantom v oblasti metabolizmu, musíte v určitom okamihu vysvetliť pôvod replikácie a spracovania informácií, ktorý zohráva rozhodujúcu úlohu pri premýšľaní o živote. Na druhej strane je to dlhá cesta od vysvetľovania pôvodu života až po súčasnosť. Je pravda, že poznáme veľmi primitívne organizmy, ktorých cieľom v živote sa zdá byť premena CO 2 na metán a acetát - metanogény a acetogény. Avšak zvieratá majú tendenciu produkovať CO 2 skôr ako konzumovať, takže to samozrejme nie je celý príbeh.

Žiadne prekvapenie, naozaj; bez ohľadu na to, aký môže byť životný príbeh, nie je žiadna otázka, že je to zložité. Ale všetko prichádza k základným stavebným kameňom prírody, ktoré sa snažia plniť Druhý zákon.


Zaujímavé Články

Egypťan  "Scorpion King " Vyrobené lieky z bylín a chlastu 5k rokov

Egypťan "Scorpion King " Vyrobené lieky z bylín a chlastu 5k rokov

Asi pred 5000 rokmi starí Egypťania už miešali bylinky a stromové živice do svojho vína, aby vyrábali prírodné liečivá, podľa novej analýzy chemických stôp zanechaných vo vínnych pohároch. Ranní Egypťania "žili vo svete bez moderných syntetických liekov a boli si veľmi dobre vedomí výhod, ktoré môžu mať prírodné prísady - najmä ak sa rozpustia v alkoholovom médiu, ako je víno alebo pivo", čo rozkladá rastlinné alkaloidy, hovorí vedúci výskumník Patrick McGovern, archeochemik. Literárne dôkazy o týchto nápojoch už boli

Kráľovská spoločnosť sa pýta: Sme pripravení stretnúť sa s ET?

Kráľovská spoločnosť sa pýta: Sme pripravení stretnúť sa s ET?

Poznáte starú rutinu v sci-fi: Cudzinci sa objavia, ľudia na Zemi vydesujú. Či budeme vyprovokovať cudzincov v Deň, kedy Zem zostala stále, alebo keď dorazia spenení s krvnou chúťkou podobnou Mars Attacks , rozprávačiaci celkový pocit je, že hromada ľudstva nebude dobre reagovať na skutočnú prítomnosť mimozemského života. Potrebujeme Will Smith

Zelená s modrými strechami

Zelená s modrými strechami

(Tento príspevok sa pôvodne objavil v on-line vedeckom časopise Hawkmoth. Sledujte @HawkmothMag a objavte viac ich práce.) Existujú dobré dôvody premýšľať zelenú, pokiaľ ide o mestské strechy: výsadba záhrad nazývaná "zelené strechy" na mrakodrakoch má mestá z ekologického, ekonomického, estetického, vzdelávacieho a psychologického hľadiska prospešné. Ale čo myslíte modré? Aj ke

Svetový zoznam ohrozených druhov je ohrozený

Svetový zoznam ohrozených druhov je ohrozený

Červený zoznam, najvyhľadávanejší zdroj informácií o ohrozených druhoch na svete, je kritizovaný vedcami a ochranármi, z ktorých niektorí prispievajú do zoznamu, pretože sú neprípustné a nevedecké. Zoznam, ktorý každoročne uvádza Medzinárodná únia pre ochranu prírody (IUCN), slúži na zvyšovanie povedomia a prostriedkov na ochranu, na informovanie o štúdiách o vplyvoch na životné prostredie a na nástroj pre lobistov. Mnohí však teraz spochybňujú presn

Google Street View sa spúšťa do diskusií vo Švajčiarsku a Izraeli

Google Street View sa spúšťa do diskusií vo Švajčiarsku a Izraeli

V minulom roku spoločnosť Google zvýšila zúfalstvo mnohých, keď priznala, že vozidlá Street View mapujúce mestá neúmyselne zhromažďovali nezašifrované údaje Wi-Fi, ktoré prechádzali okolo príbytkov. S cieľom vyriešiť svoj obraz a odvrátiť súdne spory spoločnosť čoskoro sprísnila svoje zásady ochrany osobných údajov a zabezpečila, že vozidlá Street View prestali zhromažďovať tieto informácie. Ale kontroverzie sa jednoducho nezasta

Konečná likvidácia odpadu

Konečná likvidácia odpadu

Plazma premení odpad na plyn, ktorý poháňa turbínu v japonskom zariadení. Obrázky sú s láskavým dovolením Davidom Cyranom / Príroda Čo by mohlo byť lepšie ako elektráreň, ktorá vyžíva špinavú skládku a vyháňa čistú elektrinu? Jedno zariadenie v meste Utashinai v Japonsku robí práve to od roku 2003, pričom pomocou plazmy - elektricky indukovaného prúdu horúcich nabitých častíc - spracováva denne až 220 ton komunálneho tuhého odpadu. Teraz je väčšie a lepšie 425 miliónov