Sciencemag.cz
Doporučujeme
Nová studie tvrdí, že pro systémy řady typů by mohl být druhý zákon termodynamiky nikoliv popřen, ale ještě posílen. Entropie nejen roste, ale je u i určitá minimální rychlost.
Jak se vtipkuje, mnohé na pohled šílené teorie „porušující fyzikální zákony“ mohou mít pravdu nebo alespoň být přínosné – ovšem druhou větu termodynamiky překračovat nelze, pak bude výsledkem nesmysl. Nová studie pravidlo o růstu entropie nijak nepopírá, naopak ještě zesiluje.
Konkrétně se výzkum na Santa Fe Institute (poznámka PH: narazil jsem na popis instituce jako „centrum neredukcionistické vědy“, třeba tedy nejde o úplně typické výzkumné centrum, ale to spíše na okraj) zaměřuje na systémy složené z několika subsystémů, které spolu sice interagují, ale jinak jsou na sobě celkem nezávislé. Například buňka a její okolí jsou od sebe oddělené, i když interagující subsystémy. Celé to funguje na více úrovních: v buňce máme jádro, ribozomy atd.
A teď trošku překvapení. Čekali bychom, že když tyto speciální systémy jsou uspořádané, v určitém ohledu evolucí zvyšují svoji složitost, že tedy výsledkem bude teorie o tom, že druhý zákon tak docela nefunguje (PH: plus viz výše, k tomu pověst Santa Fe Institute). Jenže závěr je opačný, entropie roste rychleji, ve smyslu existence minimální rychlosti (s něčím takovým klasická termodynamika nepracuje). „Systémy tvořené interagujícími subsystémy mají vyšší úroveň produkce entropie než jediný jednotný systém,“ praví tisková zpráva Santa Fe Institute.
Možná jde o hříčku, ale možná by nám zpřesnění druhého zákona umožnilo lépe chápat fungování složitých systémů: buněk, organismů, ale i strojů (otázka produkce a rozptylování tepla v elektronice, chlazení apod.).
Credit: Sante Fe Institute
Konkrétněji, abychom si to lépe představili. David Wolpert ze Santa Fe Institute uvádí následující schéma, popisující vztahy mezi receptory na buněčných stěnách, mezibuněčným médiem a ribozomy. Ribozom syntetizuje proteiny, které opouštějí buňku a vstupují do intracelulárního média. Receptory na buněčné stěně mohou detekovat proteiny v intracelulárním médiu. Ribozom přímo ovlivňuje intracelulární médium, ale receptory buněčné stěny může ovlivňovat jen nepřímo. Viz obrázek: A ovlivňuje B a B ovlivňuje C, ale A přímo neovlivňuje C. To, že A musí použít B jako prostředníka při působení na C, má podle studie znamenat, že produkce entropie bude vyšší (poznámka PH: nutnost o jeden krok interakce navíc). Jinak samozřejmě stav X nějak vyplývá ze stavu X v minulosti.
Vazby mezi subsystémy nemusejí být ovšem stejně silné a také mohou být složitěji zacyklené, to aktuální studie ještě nezkoumá.
David H Wolpert. Minimal entropy production rate of interacting systems, New Journal of Physics (2020). DOI: 10.1088/1367-2630/abc5c6
Zdroj: Santa Fe Institute / Phys.org
Poznámka PH: Podíváme-li se v mikroskopu s dostatečným rozlišením na buňku, uvidíme v ní různé části. Ale nakolik lze říct, že interagují jako celek? Nakolik lze říct, co jsou „části“ a co už ne? (Triviální analogie: lidé z různých států spolu nezávisle interagují bez toho, že by to státy nějak řídily či o tom vůbec „věděly“. Z toho ale nevyplývá, že státy nejsou nějaké celkem dobře definované jednotky.) V případě strojů, elektroniky apod. snad můžeme celkem opodstatněně předpokládat, alespoň jako vstupní hypotézu, že subsystémy jsou součástky – tak, jak jsme zařízení navrhli my.
Takovéto zprávy mě vždycky potěší. Existuje nějaký zákon zachování entropie? Vzato kol a kolem život jako takový samozřejmě vytváří chaos kolem sebe ve snaze se organizovat. Pokud organizovanost systému nevzroste proti devastaci svého okolí očekávaným přírůstkem, pak se někde ten úbytek entropie musí projevit. Třeba jsou to ty vazby a interakce samotné. Třeba proces a stav mají podobný vztah jako potenciální a kinetická energie. Možná že je vědomí to, co se ztratilo na buněčné úrovni. Kdo ví?