¿Cuáles son los argumentos a favor de la relación Vida-y-Entropía?

El primer punto es fácil de abordar. El gas que está ubicado en la esquina de la habitación tiene una entropía más baja que el gas que está disperso por toda la habitación porque tiene una menor cantidad de microestados accesibles que le corresponden. De manera similar, puedes considerar un organismo concreto que tiene una estructura muy ordenada. La mayoría de los átomos solo necesitan estar donde deben estar, de lo contrario morirías; por supuesto, todavía hay variabilidad que explica la diversidad de las especies, pero esa diversidad no se extiende hasta las moléculas que vuelan como un gas. Entonces, la vida está en un pequeño rincón hipotético de la habitación que representa todos los ordenamientos posibles de los átomos.

También existe la idea de que los organismos vivos reducen la entropía de su entorno. Esto es realmente correcto. Nuevamente, cada sistema ordenado debe tener una entropía más baja que un sistema desordenado (porque tiene un número menor de microestados accesibles) y, por lo tanto, si convierte el montón de lodo en una casa, reducirá la entropía de su entorno inmediato. Pero en el proceso de ordenar ejercerás una gran cantidad de trabajo y calor y aumentarás la entropía total del universo.

En cuanto al origen de la vida, no estoy seguro de la conexión con la segunda ley. Para mí es sólo una cuestión de probabilidad. En todo caso, parece ser una aplicación del teorema de recurrencia de Poincaré (que en realidad niega la segunda ley, o más precisamente, la establece como solo una declaración estadística que eventualmente fallará). Digamos que la proto-vida se define como ciertas moléculas pequeñas que comienzan a exhibir algunos signos de vida (¿reproducción? ¿autocorrección? ¿tener ciertos procesos metabólicos? Eso se lo dejo a los expertos en vida). Estos siguen siendo sistemas ordenados complejos y tan improbables de formar, pero las aguas oceánicas de la Tierra joven probablemente eran lo suficientemente grandes como para que el número de sistemas desordenados microscópicos fuera comparable con el tiempo de recurrencia asociado a ellos.

Nota: entonces, ¿por qué no vemos huevos rotos ensamblados en huevos originales intactos? Respuesta: porque llevaría tiempo$t \sim \exp({\Delta S \over k})$. Entonces, si tiene suficiente tiempo (o equivalentemente suficientes huevos), lo verá ensamblado. El problema es que estos tiempos son enormes para los objetos macroscópicos. Pero para los protoobjetos que iniciaron la evolución de la vida, ese tiempo debería ser razonablemente pequeño (como unos pocos cientos de millones de años).

Los organismos vivos son sistemas de baja entropía.

Claramente, la energía que proviene del Sol es lo que impulsa la vida en la Tierra. Si bien hay algunos microorganismos que usan energía geotérmica, esto es cierto para la gran mayoría de la vida.

El presupuesto de energía de la Tierra se comprende bastante bien, con el Sol derramando$174\times 10^{15} W$valor de energía en él, y la Tierra re-irradiando todo (suponiendo equilibrio térmico) a través de la reflexión (30%), la radiación de las nubes (64%) y la radiación del suelo (6%).

Entonces, dado que la energía que proviene del Sol también sale al mismo ritmo, ¿de dónde proviene toda la energía que necesita la vida?
Se puede rastrear a través de la cadena alimenticia hasta la fotosíntesis , que crea moléculas más complejas y energéticas y genera calor residual (radiación de cuerpo negro). Si bien el balance de entropía general es positivo , la fotosíntesis disminuye la entropía de la planta mientras aumenta la entropía del medio ambiente.

Entonces, su declaración debe entenderse en este contexto: lo que impulsa la vida no es la energía del Sol, sino el hecho de que esta energía tiene una entropía lo suficientemente baja como para que la Tierra pueda irradiar la energía a través de la radiación del cuerpo negro mientras disminuye la entropía localmente.

La segunda ley de la termodinámica está de alguna manera fuertemente conectada con el origen de la vida misma.

Lo único que puedo pensar en torno a esta afirmación es que algunos creacionistas han tratado de argumentar en contra de la abiogénesis sobre la base de la ley de la entropía, en el sentido de que los sistemas complejos y ordenados, como los seres vivos, tienen una entropía más baja que un sistema muerto con el mismos átomos sin estructura. Lo cual es cierto, y la explicación de por qué la abiogénesis no viola necesariamente la ley de la entropía está en mis consideraciones anteriores.

La entropía y la Segunda Ley de la Termodinámica se relacionan con la vida porque la vida es posible gracias a los flujos de energía implícitos en la segunda ley y el almacenamiento selectivo y la manipulación de la bioquímica que esos flujos hacen posible.

Los organismos vivos son sistemas de baja entropía.

En la termodinámica clásica, la entropía es una medida de la disponibilidad de energía termodinámica de un sistema. Por lo tanto, un sistema de baja entropía tiene energía disponible en una forma que puede usarse para realizar trabajo, mientras que un sistema de alta entropía tiene relativamente menos energía disponible. Alternativamente, la entropía puede verse como una medida de desorden donde una entropía baja significa un sistema relativamente ordenado y una entropía alta significa un sistema desordenado. Finalmente, en mecánica estadística, la entropía también puede referirse al contenido de información donde una entropía baja significa un contenido de información relativamente más alto que una entropía alta.

Los organismos vivos son de baja entropía según las tres medidas relacionadas. Cuanto más complejo es el organismo, más cierta es esta afirmación. Los organismos vivos almacenan energía y la ponen a disposición de los procesos metabólicos para moverse, comer, pensar, etc. Los organismos son sistemas altamente ordenados, los sistemas más complejos que hemos visto en el universo hasta ahora. Los organismos también tienen un contenido de información muy alto. Los sistemas orgánicos se controlan a través de una mezcla compleja de información química, eléctrica y genética que ni siquiera comprendemos completamente en este punto, incluso para los organismos unicelulares más básicos. Son los sistemas más ordenados que se conocen.

La segunda ley de la termodinámica está de alguna manera fuertemente conectada con el origen de la vida misma.

La segunda ley de la termodinámica establece que en un sistema cerrado, la entropía tenderá a aumentar y que la entropía fluirá de la región de baja entropía a la región de alta entropía. Esto se relaciona con la vida de dos maneras específicas:

1. Hace que la vida sea menos probable, en general, ya que la vida debe originarse a través de una fluctuación aleatoria a un estado de baja entropía. Dado que la entropía normalmente aumenta, con el tiempo la entropía del sistema será mayor y, por lo tanto, menos probable que origine vida.

2. Hace que la vida sea más probable en un planeta como la Tierra que se encuentra en medio del gradiente entrópico de los flujos de entropía desde el Sol de muy baja entropía hacia el sistema solar de entropía relativamente más alta. La superficie del océano es el borde de un gradiente termodinámico muy pronunciado donde la energía del sol se mezcla con el agua relativamente fría del océano. En estos gradientes, es mucho más probable que las fluctuaciones aleatorias den como resultado una molécula de muy baja entropía, como un aminoácido o, finalmente, el ADN, porque hay un flujo de energía continuo desde el Sol a través del gradiente. Esta energía hace posible varias reacciones químicas endotérmicas, aumenta la velocidad de la reacción química y ofrece una fuente de energía para la conversión continua con fines metabólicos para cualquier organismo vivo.

Así que ambas afirmaciones son verdaderas.

En los días transcurridos desde Boltzmann y Clausius, nuestra comprensión de los sistemas alejados del equilibrio ha aumentado drásticamente. Los desarrollos en las últimas dos décadas también han demostrado que la segunda ley, tal como se entendía clásicamente, no era el todo y el final cuando se trataba de comprender el surgimiento de sistemas complejos como los de la vida.

Un buen lugar para aprender acerca de estos descubrimientos es con el Teorema de Fluctuación que fue propuesto por primera vez en 1993 por Denis Evans, Cohen y Morriss. Para citar el resumen del artículo de Wikipedia:

Mientras que la segunda ley de la termodinámica predice que la entropía de un sistema aislado tenderá a aumentar hasta que alcance el equilibrio, después del descubrimiento de la mecánica estadística se hizo evidente que la segunda ley es solo estadística, lo que sugiere que siempre debe haber algún valor distinto de cero . probabilidad de que la entropía de un sistema aislado disminuya espontáneamente; el teorema de la fluctuación cuantifica con precisión esta probabilidad.

(énfasis mío). En última instancia, todos los sistemas de vida explotan esta debilidad de la segunda ley: que es una declaración estadística y no una ley microscópica. Lo que han demostrado estos teoremas de fluctuación es que, dadas las condiciones adecuadas, un sistema aislado puede explotar la posibilidad de que su "entropía disminuya espontáneamente". Para poder explotar esta posibilidad, el sistema en cuestión debe ser comparable en tamaño a las fluctuaciones térmicas de su entorno. Esto es cierto para todos los motores biológicos, como los responsables de la producción de energía a través de ATP, los motores de miosina que controlan el movimiento muscular y las nanomáquinas fabricadas artificialmente.

Aparte de estas consideraciones, también existe el hecho de que los sistemas que albergan vida siempre están lejos del equilibrio. Cuando, por ejemplo, los "creacionistas" intentan usar la segunda ley como un argumento a favor de la "creación", se olvidan de que vivimos en presencia de una estrella que constantemente suministra energía a la tierra, lo que hace que el planeta esté lejos de ser térmico. equilibrio a escala macroscópica, de modo que no es posible la aplicación de la 2ª ley en su forma tradicional, es decir, sin tener en cuenta el teorema de la fluctuación.

Resumen: si queremos siquiera comenzar a hablar con sensatez de tales preguntas, debemos comprender la mecánica estadística de los sistemas que no están en equilibrio, lo cual apenas hemos comenzado a hacer.