¿Los organismos vivos disminuyen o aumentan la entropía?

La sabiduría común parece sugerir que los organismos vivos tienen una entropía más baja que su entorno. Por ejemplo, el artículo de Wikipedia sobre "Entropía y vida" menciona que Schrödinger pensó que este era el caso. A primera vista, esto tenía sentido para mí; los organismos vivos están más "organizados" que la materia no viva. Sin embargo, en una inspección más cercana, creo que este pensamiento es completamente erróneo.

Aunque la entropía se relaciona comúnmente con el nivel de 'organización', una definición mucho más precisa de entropía es una medida de cuán dispersa está la energía entre los diversos modos de energía posibles de las moléculas y los átomos. En un organismo vivo, la energía contenida en su materia está altamente distribuida entre muchos modos de energía (traducción, vibración, electricidad, química, potencial), mientras que en la materia no viva esta energía está más concentrada en modos de menor energía (principalmente química).

Como ejemplo, mi gato solo come comida seca para gatos y agua. Por lo tanto, la materia que compone a mi gato proviene completamente de la materia contenida en el alimento seco, el agua y el aire. La energía de los alimentos se concentra principalmente en energía química. Sin embargo, la energía en mi gato está más ampliamente distribuida entre energía térmica (que en realidad es energía cinética molecular), energía cinética y potencial mientras corre, energía eléctrica en su sistema nervioso y energía química en su grasa y tejidos. Claramente, la energía está mucho más dispersa entre diferentes modos de energía, lo que significa una entropía mucho mayor. Otra forma de verlo, hay mucha más 'información desconocida' sobre los microestados de la energía, dado el macroestado de la energía contenida en el gato, en oposición a la energía en la comida.

Entonces, de cualquier manera que lo vea, me parece que los organismos vivos son máquinas productoras de entropía muy eficientes. No solo aumentan la entropía de su entorno (sistema cerrado) sino que su entropía interna (sistema abierto) también es mucho mayor.

Entonces, ¿la sabiduría convencional está equivocada? ¿O estoy equivocado?

¡Gracias!

Sin embargo, se necesita un cambio de configuración muy pequeño para dar como resultado un gato muerto: los sistemas biológicos tienen menos entropía de lo que parece pensar.
La forma en que me lo han explicado es que los seres vivos son de baja entropía pero 'compensan' eso emitiendo constantemente radiación infrarroja de alta entropía. Los seres vivos siempre están a una temperatura ligeramente superior a la de su entorno. Hasta que mueran, eso es...
La cantidad de entropía que produce su cuerpo depende completamente de dónde comienza a contar la fuente de energía, es decir, cuál es la temperatura más alta en su sistema (¿es la temperatura de la superficie del sol, su temperatura interior, es la temperatura del big bang?). No es una función de su cuerpo sino una función de las elecciones de los límites de su sistema. Como tal, la declaración sobre la entropía de la materia viva carece esencialmente de sentido.
Tal vez una forma de pensar en ello es mirar las distribuciones de probabilidad, los diversos modos en los que se puede distribuir la energía de su gato son muy específicos, sin posibilidades reales de que estén en ningún otro estado. Entonces, si observa la distribución de probabilidad, esperará una función delta de Dirac correspondiente a un modo particular. La distribución no tendría ninguna dispersión. La comida, sin embargo, puede estar en varios estados de energía (quizás correspondientes a una amplia Gaussiana). Por lo tanto, mirándolo desde una escala más amplia, los microestados posibles para su gato son menores que los de su comida.

Respuestas (4)

Si consideramos la superficie del cuerpo del organismo como el límite de un sistema, entonces el organismo como máquina tiende a disminuir su entropía interna a expensas de aumentar la entropía en el medio ambiente. Para lograr esta gran hazaña, el organismo debe tener algún medio para absorber energía del medio ambiente, como el proceso de fotosíntesis o la alimentación.

¿La pista, la evidencia de que se reduce la entropía? - basta con mirar el asombroso orden, el conjunto de la complejidad, los sistemas complejos dentro del organismo.

Mi punto es que ser 'ordenado, ensamblado, complejo' no significa necesariamente una entropía más baja. Creo que es un error común vincular la entropía con el "orden". En realidad, la entropía significa estrictamente qué tan bien distribuida está la energía entre los posibles modos de energía, a nivel molecular y atómico. Es solo en este aspecto que podemos decir que si la energía se concentra en un solo modo de energía (por ejemplo, energía química molecular) está más 'organizada' que si la energía se extendiera también a otros modos (por ejemplo, movimiento molecular) . De esta forma, el gato tiene más entropía que la comida para gatos.
@ user2028952 el negocio de pedidos es una forma descuidada de hablar de entropía estadística: la cantidad de microestados. Un cristal que se cristaliza a partir de una solución tiene una entropía más baja debido a que tiene menos microestados, a expensas de aumentar la entropía de la solución. Los organismos vivos en un sistema más grande tienen menos microestados, porque el ADN, por ejemplo, restringe el número de microestados que podrían alcanzar los átomos y moléculas libres. en.wikipedia.org/wiki/Entropy_(statistical_thermodynamics)
Esta respuesta es esencialmente incorrecta ya que la entropía no está relacionada con el "orden", la "organización" o el "desorden". Un refrigerador es un ejemplo de un sistema que reduce su entropía a expensas del medio ambiente, y el hecho clave es que la temperatura interna es más baja que la del medio ambiente. Un cuerpo vivo no sigue tal comportamiento. En su caso, los cuerpos vivos suelen estar más calientes que el medio ambiente, lo que significa que la entropía es aún mayor, como dice el OP. El hecho de que exista orden dentro de un cuerpo vivo no significa que la entropía haya disminuido. El orden físico puede aumentar mientras la entropía es alta.
En cuanto a la interpretación de Boltzmann, una alta entropía de un cuerpo vivo correspondería a una configuración con baja probabilidad. Una conclusión ingenua sería afirmar que un ente vivo corresponde a una configuración molecular con baja probabilidad, entonces la entropía debe ser alta. Pero eso sería equivalente a decir que no se puede formar un mono arrojando un montón de arena y esperando que caiga al suelo como un mono. El hecho de que no podamos crear un mono (por ningún medio tecnológico) no implica que una configuración de mono molecular tenga una probabilidad baja y, por lo tanto, la entropía sea baja.

No es solo el número de microestados, también es la distribución de probabilidad de los microestados lo que importa. Entonces tu gato es más ordenado, porque su distribución de energía no es aleatoria sino que en realidad se distribuye de una manera muy específica. La mayor parte de la entropía se logra cuando todos los microestados son equiprobables. Un gato está lejos del equilibrio, por lo que su entropía es menor. Esto permite la complejidad de la vida.

Puedo hacer que la entropía de las bacterias e incluso de las células de los mamíferos sea casi cero congelándolas cerca del cero absoluto. Entonces puedo calentarlos, otra vez, y seguirán viviendo. Este experimento hace que tu idea de que la vida tenga una entropía definida no tenga sentido.
No veo cómo eso desacredita mi argumento. Lo que quise decir fue que para cualquier sistema en general, la entropía se puede reducir localmente. Sistema solar, galaxia, etc. Si el sistema no está en equilibrio tendrá menor entropía. Lo que estaba tratando de argumentar es que un gato está más lejos del equilibrio. No es que haya una cierta entropía significativa en la vida de un gato.
Desacredita el argumento al señalar que la entropía no es una cantidad bien definida o incluso útil en este caso. Úselo para un gas ideal o úselo en un agujero negro, donde hace algo por usted. En el caso de la vida no hace absolutamente nada útil.
Ilya, como dices, la entropía depende de la distribución de energía en los microestados. Cuanto más distribuida esté sobre muchos microestados, mayor será la entropía. Para mí es evidente que en la comida seca para gatos, la energía se distribuye en menos microestados (mayor probabilidad en menos microestados, lo que significa menor entropía), y en el gato se distribuye en más microestados (menos probabilidad en más microestados, lo que significa mayor entropía). ).
CuriousOne, en realidad creo que observar la entropía de la vida es un enfoque interesante que vale la pena. Schrödinger, por ejemplo, discutió algunas de las ideas sobre la entropía y lo que implica sobre la vida en su libro "Qué es la vida". Por supuesto, la entropía de la vida no está definida. Pero la vida funciona, produce calor, tiene temperatura, la vida es un sistema termodinámico por lo que se puede hablar de entropía en su contexto.
user2028952 Veo tu punto. Pero realmente creo que los microestados de la comida para gatos en realidad están distribuidos de manera más uniforme que los de un gato. Cat tiene energía almacenada en más formas diferentes, correcto, pero eso no significa que tenga más microestados. Pensar que es similar a una molécula aquí que tiene modos de rotación, traslación y vibración no es correcto. De hecho, el gato se esfuerza mucho por permanecer en un conjunto de microestados específicos, si termina en un estado incorrecto, podría estar muerto.
"La mayor parte de la entropía se logra cuando todos los microestados son equiprobables": sí, si los subsistemas (por ejemplo, moléculas u órganos del cuerpo) son idénticos, pero ese no es el caso de los seres vivos. "Un gato está lejos del equilibrio, por lo que su entropía es menor": ese es un uso muy subjetivo del término equilibrio y, además, un mito popular. Un gato puede estar en equilibrio de múltiples formas termodinámicas (por ejemplo, temperatura o distribución de energía). De todos modos, la entropía no está relacionada con el equilibrio, el orden o el desorden.

Tienes razón: estrictamente, los seres vivos tienen una alta entropía, quizás superior a la del medio ambiente. La sabiduría popular sobre la entropía en los seres vivos es incorrecta, ya que la entropía no está relacionada con el orden. La entropía se define simplemente como una fórmula, que no proporciona suficientes elementos para una interpretación conceptual. Si alguna interpretación es posible, esa es la de la termodinámica clásica:

Δ S = ∑ i ( Δ q ) i T

Como dije en dos comentarios en este post:

... la entropía no está relacionada con "orden", "organización" o "desorden". Un refrigerador es un ejemplo de un sistema que reduce su entropía a expensas del medio ambiente, y el hecho clave es que la temperatura interna es más baja que la del medio ambiente. Un cuerpo vivo no sigue tal comportamiento. En su caso, los cuerpos vivos suelen estar más calientes que el medio ambiente, lo que significa que la entropía es aún mayor, como dice el OP. El hecho de que exista orden dentro de un cuerpo vivo no significa que la entropía haya disminuido. El orden físico puede aumentar mientras la entropía es alta.

... En cuanto a una interpretación de Boltzmann, una alta entropía de un cuerpo vivo correspondería a una configuración con una baja probabilidad. Una conclusión ingenua sería afirmar que un ente vivo corresponde a una configuración molecular con baja probabilidad, entonces la entropía debe ser baja. Pero eso sería equivalente a decir que no se puede formar un mono arrojando un montón de arena y esperando que caiga al suelo como un mono. ...

El hecho de que no podamos crear un mono (por ningún medio tecnológico) no implica que la configuración molecular de un mono tenga una probabilidad baja y, por lo tanto, la entropía de los monos sea baja .

La percepción de probabilidad en este caso es muy subjetiva ya que no sabemos cuál es la cadena de procesos que terminan en la configuración molecular que llamamos mono vivo.

Un ser vivo tiene una entropía baja solo bajo un gran conjunto de supuestos subjetivos, que examinados cuidadosamente siempre resultarán falsos. El único hecho real es que los monos existen debido a la evolución espontánea de este sistema que llamamos naturaleza.

Además, una alta entropía significa que las interacciones entre los subsistemas son máximas, lo que corresponde mejor a la definición de un ser vivo . Cuando dos gases a diferentes temperaturas se mezclan, la entropía crece, pero eso no significa que la energía haya dejado de fluir. La energía fluye en su mejor momento a través de todas las moléculas. Lo mismo sucede con los seres vivos: a mayor entropía existen más interacciones. Eso encaja mejor con la definición de un ser vivo: alta entropía y un alto nivel de interacción entre subsistemas.

Si miras la entropía en su sistema base... digamos, sin vida alguna. Esto significa que solo hay materia/energía en el sistema. La entropía aumenta con el tiempo. Bien. Ahora, como un ejemplo simple, digamos que nuestro sistema consiste en una simple baraja de cartas, una carta que se baraja al azar todos los días. Con el tiempo, las cartas estarán perfectamente aleatorias en la baraja... esto puede representar nuestra entropía simple en el sistema. Ahora, reviso estas cartas todos los días después de haberlas barajado, y la primera vez que las reviso están todas en orden As a King: Tréboles, Picas, Diamantes y Corazones uno tras otro (como una nueva baraja de cartas). Me digo a mí mismo que esto es perfectamente aceptable según las leyes de la estadística... Un posible resultado de muchos. ¡Pero esto es 52! (Una GRAN cantidad de combinaciones con solo 52 piezas). Ok, ahora todos los días mientras reviso, mi suposición de que la entropía aumenta con el tiempo se vuelve cierta a medida que se baraja más y más la baraja. Pero un día, vuelvo a la baraja y descubro que es como una baraja nueva otra vez... y al día siguiente lo mismo, y todos los días después de ese. Es como si la reproducción aleatoria no funcionara bien. EntoncesEntro físicamente en el sistemay barajarlos todos yo mismo, y ahora sé que están todos barajados. Pero al día siguiente descubro que son como una baraja nueva otra vez... y otra vez... y otra vez. Entonces, sin duda, desde el punto de vista de los sistemas, debo concluir que la entropía disminuye. ¿Qué? ¿Cómo puede ser esto? Pero es cierto... la entropía de los sistemas disminuye (Cómo no ser natural). Bien. Debo decir que la segunda ley de la dinámica térmica no es cierta o que algo antinatural le está sucediendo al sistema. Pero me doy cuenta de que así como entré de forma poco natural en el mazo y lo barajé... tal vez algo más vaya más tarde al mazo y lo "reorganice". Pero aún debo concluir que para el sistema natural 'local' la entropía disminuye. Pero ese es el punto. La VIDA va en contra de las leyes naturales de la entropía de lo 'natural' sistema no por un simple factor de 52!, sino por 1Googleplex!. exagero Pero no realmente.

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