Organismus jako parní stroj  
Život jako tepelný stroj – vztah mezi biologií a termodynamikou.

Živé organismy bývají často popisovány jako různé druhy strojů. Můžeme se je "mechanicky" představovat jako soustavu hejblátek a ozubených koleček a nebo se inspirovat spíše moderními počítači a chápat život jako určitý výpočet, respektive realizaci programu (například instrukcí zapsaných v genomu). Netřeba podrobněji popisovat představu života jako gigantické chemické továrny. Existuje ale ještě jeden zajímavý pohled na věc, který nás tak trochu vrátí do světa počínající průmyslové revoluce. Život nám v tomto případě splyne především s jiným typem strojů, těmi tepelnými.

Následující text poměrně volně rozvíjí úvahy, které popsal Stuart Kauffman v knize Čtvrtý zákon (Paseka, Praha, 2004). Podobným tématem se zčásti zabývá také publikace Antona Markoše a Jozefa Kelemena nazvaná Berušky, andělé a stroje (Dokořán, Praha, 2004) - a samozřejmě i řada textů nějak se týkajících evoluční biologie.

 

Zvětšit obrázek
Parní stroj, 1878

Chápání života jako tepelného stroje se snaží především postihnout zvláštní vztah mezi biologií a termodynamikou. Podle "lidového" chápání druhého termodynamického zákona život vlastně nemá co existovat. To je přirozeně nesmysl, existence života neodporuje druhému termodynamickému zákonu o nic více než další procesy odehrávající se daleko od rovnovážných stavů - třeba blesk. Vlastní příčinou nerovnovážného stavu je samozřejmě Slunce, které Zemi zaplavuje ušlechtilou energií postupně degradovanou na odpadní teplo - a to opět nejen živými organismy.

Úzká souvislost mezi živými systémy a termodynamickými zákonitostmi však přece jen existuje. Naše úvahy začneme u pojmu gradientu. V nerovnovážných systémech se hodnoty řady veličin mění s místem. Takový stav je samozřejmě nestabilní a obecně řečeno vede k "tokům" - tak třeba teplo přechází z teplejšího tělesa na chladnější, kulička se kutálí dolů, látka difunduje ve směru své klesající koncentrace. Živé organismy se na těchto gradientech a odpovídajících tocích de facto pasou.

Představte si, že život je čímsi na způsob větrného mlýnu, který se přiživuje na nerovnováze způsobující foukání větru. To ale není všechno. Jak takový větrný mlýn pozná, jak natočit lopatky? Ukáže mu to korouhvička sledující směr vzdušného proudění. Život stojí na existenci obrovského množství takovýchto korouhviček. Živé organismy neustále provádějí "měření", kterým se snaží zjistit drobné nerovnováhy v okolním prostředí a pak je využít. Svou vlastní činností se navíc snaží další nerovnováhy vytvářet. Gradienty mají za určitých podmínek tendenci se vrstvit na sebe (rozdílná teplota na různých místech způsobí také lokální rozdíly v chemickém složení apod.). Vrcholem tohoto umění pak je, pokud se podaří realizovat proces, který gradienty ještě zvyšuje - příkladem jsou třeba transportní mechanismy, které v organismech dokáží přenášet látky i proti koncentračnímu spádu. To je pro život ostatně jediná šance - v prostředí nacházejícím se v termodynamické rovnováze by totiž ani život nic nepořídil, při neexistenci gradientů v dokonale promíchaných směsích by prostě nebylo z čeho získávat energii.

Podobně jako stroje se organismy při spásání gradientů chovají účelně (u strojů je ovšem jejich účel samozřejmě dodán zvnějšku). Kauffman v této souvislosti pokládá za klíčovou také jejich schopnost uskutečnit úplný Carnottův cyklus.

Zajímavé snad bude si podrobněji popsat, jak takové spásání gradientů vlastně probíhá. Za "normálních" okolností kámen spadne do vody, způsobí několik vlnek, nepatrně ohřeje své okolí - a za chvíli je po všem. Dynamit vybuchne a rozmetá vše kolem. Organismy na to jdou jinak, využijí gradienty k tomu, aby se jeho energie konala práci. Kdyby byl kámen padající do vody živý, svoji kinetickou energii by se snažil třeba uložit do nějaké chemické reakce - syntézy. Pokusil by se upravit své okolí tak, aby po jeho dopadu voda, která vystříkne nahoru, nespadla je tak zase zpátky, ale byla dále využitelná jako budoucí zdroj energie. Náš živý kámen bude také vybaven nějakým systémem, který se pokusí zužitkovat kolem se rozbíhající vlny. A při tom všem bude kolem sebe stále pozorně čenichat, zda by se nenašla ještě nějaká další nerovnováha. A tak dále. No a pokud ještě přidáme požadavek na Carnottův cyklus, výsledkem by mělo být, že náš živý kámen se na konci ocitne opět kdesi vysoko nad hladinou.

Když se nad tím zamyslíme trochu důkladněji, napadne nás možná, že poměrně chytré, složitěji strukturované systémy mimo rovnovážné stavy v přírodě existují, aniž by nás však napadlo pokládat je za živé. Třeba vír nebo tornádo. Na první pohled je zde velký rozdíl v kvantitě. Vír nebo tornádo dokáží využívat vždy jen jeden jediný gradient, navíc poměrně "primitivní". Živé systémy jsou ale mnohem složitější, účinnější (opět souvislost s tepelnými stroji, u kterých se počítají různé účinnosti přeměny energie atd.) a díky tomu stabilnější - na rozdíl od víru dokázaly neustále trvat už asi 4miliardy let. Ostatní systémy, říkejme jim třeba disipativní struktury, takovou nepřetržitou existencí nedisponují (zřejmě opět souvisí se schopností projít Carnottovým cyklem - tornádo se neumí vrátit do původního stavu). S disipativními strukturami se setkáváme jen proto, že neustále vznikají znovu a znovu. Už samotná myšlenka na blesk trvající 4 miliardy let působí absurdně. To je na živých organismech možná vůbec to nejzajímavější - bavíme se o systémech mimo rovnováhu, které však dokáží trvat překvapivě dlouho, nezamrznou do stavu entropické smrti ani se nerozletí podobně jako vybuchující dynamit, procházejí cykly a zároveň podléhají evoluci.
Za trvanlivost živých organismů oproti disipativním strukturám je zřejmě podstatným způsobem zodpovědné také digitální médium - DNA. Víry či hurikány nejsou schopné podobným způsobem "fixovat" svoji paměť. V této souvislosti bychom se dostali také k otázce, zda organismy digitálního kódu využívají, nebo zda jsou s ním totožné. To by nás však od úvah o tepelných strojích odvedlo už někam úplně jinam...

Autor: Pavel Houser
Datum: 14.01.2005 06:49
Tisk článku

Fyzika v příkladech II - Samek Ladislav, Vlčák Petr
 
 
cena původní: 450 Kč
cena: 387 Kč
Fyzika v příkladech II
Samek Ladislav, Vlčák Petr

Diskuze:

Parní stroje

Jirka,2006-02-05 10:32:59

Nabídka modelů parních strojů je na stránkách www.FDHS.cz

Odpovědět

K tomu lidovému chápání 2. termodynamické věty

Pavel Brož,2005-01-14 17:36:05

Další z omylů, který je široce rozšířen, je ten, že např. utváření struktur v našem vesmíru (tj. hvězd a galaxií, které v konečném důsledku způsobily přeměnu prvotního vodíku a helia na těžší prvky, z nichž vznikly planety a mj. i život na Zemi) taky vlastně odporují druhému termodynamickému zákonu, přičemž se ale hned nachází pseudovysvětlení, že nakonec neodporují, protože údajně je náš vesmír ve stavu "daleko od rovnováhy". Na tu frázi v uvozovkách můžete narazit relativně často. Přitom je to nesmysl. Náš vesmír ani hmota v něm vůbec k žádné rovnováze spět nemusí, protože jako celek nesplňuje podmínky, za nichž druhá termodynamická věta platí, a to především v důsledku záporné potenciální energie gravitace. Chování vesmíru jako celku je určeno Einsteinovým gravitačním zákonem, ne druhým termodynamickým zákonem. Pokud by ten gravitační zákon vedl k tomu, že by se vesmír např. čas od času opět smršťoval a pak zase rozpínal, atd., tak by hmota v něm obsažená mohla vytvářet stále složitější struktury, nic by jí nenařizovalo skončit v nějaké rovnováze. Pokud by byl vesmír uzavřený (tedy pokud by ho čekal "Velký krach"), nebo pokud se naopak bude čím dál rychleji rozpínat, jak to vypadá podle posledních dat, tak tam také nelze hovořit o žádné rovnováze - v případě velkého krachu totiž vesmír zanikne mnohem rychleji, než se jeho fluktuace stihnou tepelně vyrovnat, a v době po velkém krachu už nemá pojem rovnováhy žádného smyslu, a v případě zrychleně se rozpínajícího vesmíru zase dnes existující hmotnostní fluktuace nebudou mít nikdy šanci se vyhladit, protože zamrznou v čím dál rychleji se rozšiřujícím prostoru. Navíc vždycky existuje možnost, že v určité fázi rozpínání dojde k nějakému druhu fázového přechodu a ke spontánnímu vzniku nové hmoty, kterýžto proces již možná v našem vesmíru v jeho ranném mládí proběhl za vzniku hmoty současné (a kdoví, jestli třeba i ne vícekrát), a způsobil jeho inflační rozpínání.
Zkrátka a dobře vesmír a rovnováha jsou dvě věci, které k sobě nejdou žádným rozumným způsobem napasovat, a proto jakékoliv závěry o nutném spění hmoty ve vesmíru k nějaké finální termodynamické rovnováze postrádají smyslu.
Druhý termodynamický zákon můžeme užít např. při tomto omezení (jde o příklad, není to všeobecné omezení, pouze jedno z mnoha možných) - máme hmotu v nějakém konečném izolovaném objemu, a tato hmota má celkovou energii, která v principu umožňuje kterémukoliv jejímu elementu dosáhnout libovolného místa tohoto objemu. Pak si můžeme být jisti, že hmota v tomto objemu se postupem času termalizuje, tj. že dospěje do termodynamické rovnováhy. Takže např. králík pasoucí se na louce může klidně růst a strukturovat se, kdežto králík zaletovaný v neprodyšné krabici (klidně i s vodou, žrádlem a vzduchem) se bude strukturovat mnohem kratší dobu. Toto je typický příklad, kdy druhý termodynamický zákon použít lze. Na vesmír jako celek ale už použít nelze, protože vesmír žádný cílový rovnovážný stav mít nemusí, a proto nelze dělat ani žádné závěry o nutném směřování vývoje hmoty ve vesmíru na základě druhého termodynamického zákona.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace