04 April 2018

Klaas Landsman (3) Finetuning versus de tweede hoofdwet van de thermodynamica

relatie Finetuning — Life —
— Second Law of Thermodynamics

Vraagje: is de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica ('Second Law of Thermodynamics') strijdig met Finetuning for Life? Om die vraag te beantwoorden moeten we eerst een andere vraag stellen: is het verschijnsel leven strijdig met de tweede hoofdwet?

Voor zover ik weet zijn finetuning en de 2e hoofdwet niet eerder met elkaar in verband gebracht. Klaas Landsman (zie vorige blogs) heeft het ook niet gedaan [5]. En ik heb het ook niet in de literatuur gevonden.

tweede hoofdwet strijdig met leven of niet?

Finetuning is: de fundamentele fysische constanten hebben zodanige waardes dat chemie en leven mogelijk zijn. Dat is weinig controversieel. Dat is een onmiskenbaar feit. Prima! Maar, het is óók zo dat de 2e hoofdwet noodzakelijkerwijs voortvloeit uit de aard van diezelfde materie die gefinetuned zou zijn voor leven. En die 2e hoofdwet zegt:

"De entropie (wanorde) van het heelal neigt naar een maximum".
of:
"Orderly things tend to become disordered over time"
                       (David Deamer, 2011, First Life, p.99)
Voorbeeldje: doe een theezakje (inkt, zout, suiker) in een kopje water. Eerst zijn de toegevoegde moleculen geconcentreerd in 1 locatie, en vrij snel spreiden ze zich uit over het beschikbare volume met als eindresultaat een homogene vloeistof. Bovendien neemt het vrij snel de omgevingstemperatuur aan. Dat is de tweede hoofdwet. Als dat de tweede hoofdwet is, dan hebben we een probleempje. 

Kijken we naar de definitie van het leven:
"Living systems are able to establish order within a chaotic world and perpetuate that order as long as energy is available for resisting the inexorable tendency toward increased entropy.
Dirk Schulze-Makuch, Louis Irwin (2006) Life in the Universe, p.16) (inexorable = niet te stoppen).
NB: dit is geen selectief citaat of controversiële definitie. Ik heb vele definities van 'leven' vergeleken [4], ze komen allemaal op hetzelfde neer. Veel definities leggen andere accenten (zoals het belang van DNA, eiwitten, membraan), maar geen enkele is in strijd met bovenstaande definitie. De definities zijn afkomstig van onderzoekers in het Origin of Life / Astrobiology gebied, die zich niet bezighouden met finetuning for life.

Conclusie: het leven gaat tegen de 2e hoofdwet in. Oorzaak: het leven is een onwaarschijnlijke, en complexe structuur die niet zou kunnen bestaan als er niet voortdurend energie aan toegevoegd wordt [11]. Het leven is een pannetje met water dat kokend gehouden wordt op een vuurtje (=energie). Het leven is een systeem dat niet in evenwicht is met zijn omgeving ('Non-Equilibrium Thermodynamics'). Als een lichaam koud aanvoelt en niet meer beweegt: bel 112. Het zijn sterke aanwijzingen dat het lichaam in thermodynamisch evenwicht is met zijn  omgeving. En dus dood.
Paul Davies bracht het heel fraai onder woorden: life is against the tide [5]. Het leven is tegen de stroom in roeien. Geen enkele auteur ontkent dit aspect van het leven.

Let op: het leven is niet letterlijk strijdig met de 2e hoofdwet, want anders zou de 2e hoofdwet gefalsifieerd zijn! [3]. Fysici zouden je uitlachen. De tweede hoofdwet is heilig. Het leven is 'strijdig met' de 2e hoofdwet net zoals het in de lucht hangen van een helikopter 'strijdig is' met de wet der zwaartekracht. Als de brandstof op is, volgt neerstorten en de dood. Net als het leven. Het leven 'omzeilt' de 2e hoofdwet door slimme trucs.
Natuurkundigen lossen deze 'strijdigheid' op door te zeggen: het leven is een open thermodynamisch systeem omdat het energie importeert en afvalstoffen exporteert. De 2e hoofdwet is  van toepassing op gesloten systemen. Natuurkundigen hebben het probleem opgelost, de 2e hoofdwet blijft geldig.

Against the tide

Toch blijft er een ongemakkelijk relatie bestaan tussen de tweede hoofdwet en het leven. In bovenstaande definitie van het leven zien we: "resisting the tendency toward increased entropy"; het leven biedt weerstand tegen degradatie. Als je goed kijkt naar verschillende auteurs dan zie je dit idee steeds terugkomen.
We weten allemaal dat we moeten blijven eten om in leven te blijven. We doen ons hele leven niet anders. Dat is natuurlijk, dat is normaal. Maar als je nadenkt over hoe de fysische natuurwetten in elkaar zitten: is dat wel zo natuurlijk? Had het niet anders gekund? Is de tweede hoofdwet noodzakelijk? Zijn er in andere universa geen levende wezens die niet hoeven te eten? [9]. Dat gaat mijn kennis te boven.

Leven dankzij de tweede hoofdwet?

Eerlijkheidshalve moet ik melden dat er ook wetenschappers zijn die menen dat er een harmonie is tussen het leven en de tweede hoofdwet. Dat zou ook onze kijk op finetuning drastisch kunnen veranderen.

Het idee is dat het leven energie degradatie [6] versnelt. Dus in dezelfde richting werkt als de tweede hoofdwet. Dat doen ze door warmte uit te stralen. Fysisch: het leven is een dissipatieve structuur. Door dissipatie van warmte neemt de entropie van het heelal sneller toe dan zonder leven. Er zijn meerdere auteurs die soortgelijk opvattingen verkondigen [1], [13], [14].

Jeffrey Wicken beweert zelfs dat het leven dankzij de tweede hoofdwet bestaat! [7]. Dat gaat ver. Eric Schneider omschrijft het zo: organismes verbruiken energie waardoor de entropie (=nutteloze warmte, wanorde) in het heelal toeneemt [8] en dat is precies wat de tweede hoofdwet voorschrijft. Dus ook hij zegt dat leven bestaat dankzij de tweede hoofdwet. Mijn kanttekening: organismes streven er in het algemeen naar om rond te komen met zo weinig mogelijk energie, dus om energie zo efficient mogelijk te gebruiken [12].

De ambivalentie van het leven

Niemand heeft de dubbelrol van het leven expliciet aan de orde gesteld. Enerzijds creëert het leven orde, want het leven is orde en anderzijds produceert het leven wanorde omdat het orde en energie uit de omgeving omzet in wanorde en die dumpt in de omgeving. Populair gezegd: het lichaam is een zeer complexe structuur die ongestructureerde poep produceert. Dus je kunt concluderen dat het leven zowel meewerkt aan de 2e hoofdwet, als de 2e hoofdwet tegenwerkt [10].


fine tuning?

Dit alles overziend: is het heelal gefinetuned voor het leven? Het leven is: hier heb je een kano en een peddel, en je mag tegen de stroom op peddelen. Als je te langzaam peddelt stort je met kano in een afgrond van 100 meter. Dood. Naar mijn smaak is dat niet een bio-friendly cosmos! Een optimist zegt: als er geen stroom is kun je er ook niet tegen in peddelen. Dit heelal is het best mogelijke heelal.

Maar zelfs als er geen alternatief voor de tweede hoofdwet mogelijk is in een multiversum, blijven we zitten met een compromis. Het heelal is niet ideaal voor het leven. Bewijs: als je niet eet ga je dood. Plus: eten is doden. Wat een drama! Wie heeft dat verzonnen? Zelfs auteurs die de harmonie verdedigen schrijven verderop dat het leven de tweede hoofdwet moet weerstaan (resisting).
Dus, ik kan met de beste wil ter wereld niet zeggen dat het heelal optimaal en compromisloos gefinetuned is voor het leven. En dan heb ik het nog niet eens gehad over het ontstaan van het leven! Als het ontstaan van het leven en fluitje van een cent was, als er overal in het heelal spontaan leven zou ontstaan, dan zou dat beter passen bij een heelal dat gefinetuned was voor het leven. Hoezo: speciale condities voor het ontstaan van leven? Hoezo een planeet in de habitable zone? Zijn andere planeten in het gefinetuned heelal ongeschikt voor leven?

Vorige blogs

 

Noten

  1. Rod Swenson geciteerd in Lynn Margulis, Dorion Sagan (1995) What is Life? p.16. Rod Swenson: "...because it is through ordered, dissipative systems that the rate of entropy production in the universe  is maximized." [1]. Maar ever verder: "Life must maintain itself against the universal tendency of heat to dissipate with time." (p.86) en: [animals] make wast of useful energy ..." (p.151). Rod Swenson ziet leven als doelgericht omdat het helpt om het universum als geheel grotere entropie te krijgen!
  2. In de Westerse wereld kennen we geen honger meer, daardoor is de 2e hoofdwet ook een ver van mijn bed show. Maar vroeger en in Afrika is er nog steeds hongersnood, dus confrontatie met de 2e hoofdwet.
  3. Schrödinger paradox (p.7 Schneider): het leven is ogenschijnlijk in strijd met de tweede hoofdwet.
  4. In mijn review van Tibor Gánti staat een lijst van 27 definities van leven. Hier is er nog een: "Associated with self-replicating far-from-equilibrium systems is an energy requirement. There is a constant thermal degradation, driven by the second law of thermodynamics, toward equilibrium that must be countered by the expenditure of work. Thus, there is the requirement of a proper energy source and the ability to convert that energy into a form that is useful in maintaining the structure and synthesizing similar structures." Harold Morowitz (1999) 'A Theory of Biochemical Organization, Metabolic Pathways, and Evolution', Complexity pp 39-53.
  5. Ook fysicus Paul Davies (2006) The Goldilocks Enigma - Why is the Universe Just Right for Life? (gaat dus over finetuning) behandelt niet de mogelijke problemen die de tweede hoofdwet op kan leveren voor het leven. Echter in The Fifth Miracle (1999) legt hij op fraaie wijze uit dat leven en de tweede hoofdwet niet strijdig zijn. Maar de titel van Chapter 2: 'Against the tide' spreekt voor zich (tegen de stroom in!). Dus als hij met finetuning bezig is vergeet hij dat het leven against the tide is! Toeval?
  6. Robert Hazen (2005) Genesis, The Scientific Quest for Life's Origin, p.13-14.
  7. "Wicken (1987) who dares to claim that it is only because of the second law of thermodynamics that life exists at all." ; "Wicken persuasively argued that the second law is not just compatible with life but instrumental in its origin and evolution." (Eric Schneider, Dorion Sagan, 2005, p.105.)
  8. Eric Schneider, Dorion Sagan (2005) Into the Cool: "In using up energy, in performing work, they perform a natural function: the production of entropy mandated by the second law (p. xv). Schneider gaat zover als: "Life as a manifestation of the second law of thermodynamics". Dat gaat wel wat ver, want leven zelf is orde. En: "They don't just obey that law, they actively enhance its operation. (p.xv); "accelerate the natural production of entropy.". En: "Life not only does not contradict the second law but exists because of it." (p.330 Schneider). Dat gaat te ver naar mijn smaak.
  9. Adam en Eva plukten vruchten in het paradijs. Dat bewijst dat je zelfs in het paradijs moet eten om in leven te blijven. Dus de tweede hoofdwet gold ook in het paradijs. Zou je in de hemel ook moeten eten, of geldt daar de tweede hoofdwet niet? Leven zou daar een perpetual motion machine (Trotman) zijn! Een hindernis om het probleem te zien is dat we eten lekker vinden en er daarom niet over nadenken waarom we moeten eten.
  10. Hetzelfde kun je zeggen van de moderne beschaving: we produceren auto's, vliegtuigen, computers (bitcoin-miners vreten stroom!), etc. Die produceren ontzettend veel entropie. Dus die accelerate, enhance de tweede hoofdwet!
  11. Fijne structuur op moleculair en cellulair niveau: die wordt door een simpele kogel vernietigd met de dood als gevolg. Bewijs geleverd dat die structuur nodig was voor het leven. 
  12. Denk aan vogeltrek. Dat is topsport. Individuen die het efficiëntst met energie omgaan komen het verst. Denk ook aan de actieradius van elektrische auto's. Denk aan LEDs. Denk aan de evolutie van zonnepanelen en windturbines.
  13. De theorie van de fysicus Karo Michaelian (2016) is volledig gebaseerd op het idee dat het leven bestaat dankzij energie (entropy) dissipatie: Thermodynamic Dissipation Theory of the Origin and Evolution of Life. Samengevat: Life started by dissipating UV photons into heat! Het is een extreem reductionistische, ééndimensionale en ambitieuze theorie over het leven: alles wordt gereduceerd tot dissipatie. Ik kom hier nog op terug in een volgende blog, want het is wel een fascinerende theorie en je leert er (als bioloog) veel nieuwe feiten door. Zie: zijn website. [8 april 2018]
  14. Clive Trotman (2004): "The laws [of thermodynamics] do not work against the origin and existence of of life but overwhelmingly in its favor" (p.112). [toegevoegd 9 april 2018]

23 comments:

harryp said...

gert,

wat een verhaal gert. bedankt, veel vragen. komen nog.

toevallig kwam in vandaag TWEE artikeltjes tegen, die ons nog harder aan het denken (en dissiperen!) zetten. Ben benieuwd wat je er van vindt:

Quantum Correlations Reverse Thermodynamic Arrow of Time in Quanta Magazine

en

I’m building a machine that breaks the rules of reality, van Vlatko Vedral in NS (ik heb een kopie als je wil)

....we zijn nog lang niet klaar met die rare quantum mechanica en dus ook niet met de tweede wet- en dus ook niet met James Clark Maxwell en zijn demon, for that matter (wij zijn dat demon, gert, wedden? ;-)


gert korthof said...

Harry, bedankt voor het compliment. Ik vraag me af: waar haal jij toch al die publicaties vandaan. Ziet er relevant uit, hoewel het tweede artikel zegt: "A recent experiment shows how quantum mechanics can make heat flow from a cold body to a hot one, an apparent (though not real) violation of the second law of thermodynamics." dus hoewel mogelijk interessant en relevant, maar niet echt strijdig. Nog een interessant boek: Karo Michaelian (2016) Thermodynamic Dissipation Theory of the Origin and Evolution of Life, een verjaardagskado. Onorthodox, ambitieus en oppervlakkig anti-Darwin. Kom ik zeker op terug. Sluit ook zeer goed aan op dit blog lijkt me.

harryp said...

ik doe mijn best gert, en dank voor de referentie- graag een blog daarover!

dat eerste onderzoek was volgens mij wel een sterke aanduiding dat op quantumniveau de dingen nou eenmaal anders zijn dan op macroniveau (van Boltzmann zijn gas, of zijn koffie, of zijn thee, etc!)

we zullen zien. teleportatie kwam vroeger ook alleen bij professor zonnebloem voor !

Er is geen wet waar zoveel onduidelijkheid over is als over de zgn tweede wet. Ik vrees dat we er niet aan ontkomen weer te beginnen bij het begin, en dan mn ook bij Maxwell en zijn demon (dwz bij de rol van kennis).

Want voor je het weet zie je jezelf gedwongen in Boltzmann hersens te geloven! Volgens mij, overigens, een bewijs uit het ongerijmde dat er toch wel iets zeer mis is met de gangbare interpretaties en met die hele kosmische casino (monte carlo) metafoor.

Het gaat volgens mij al mis als je entropie zo maar gelijk stelt met chaos oid. Zie bijv ook het werk van Sharon Glotzer https://www.youtube.com/watch?v=et5KcmdCXRk

Voor niks gaat de zon op. Dus zolang de zwaartekracht nog een beetje werkt,- al dan niet als emergentie!- kunnen we nog vooruit, zou ik denken!

gert korthof said...

Harry, bedankt voor de youtube video. Hier is nog een fraaie korte 10 min video: Entropy is not disorder: micro-state vs macro-state. Dit soort filmpjes geven je meer inzicht dan vele pagina's wikipedia (of boeken?) ze zijn in ieder geval gratis en veel leuker vanwege de animaties.

Boltzmann is de held in het verhaal van Karo Michaelian: "...all irreversible processes arise and persist to produce entropy, to dissipate a generalized thermodynamic potential."
Maar dit inzicht van Boltzman is nooit goed begrepen en nooit gewaardeerd door de biologische community inclusief evolutiebiologen.(p.29)

harryp said...


gert dank voor de link- en de aanpalende links lijken me ook zeer interessant

ik was vandaag verder even bezig de entropie hier thuis, schuur, kelder, te verlagen, met als gevolg dat mijn eigen entropie groter is- totdat ik die ook weer weet te reduceren ten koste van weer een hoop afvalwater. Het blijft modderen! ;-)

Michaelian gelooft dus dat wij een soort koeltorens zijn, gelooft 'ie ook in Boltzmann hersens zeker? (zelf geloof ik in het demon van Maxwell!)



Frank Visser said...

Beste Gert,

Heb me zoals je weet al jaren druk gemaakt over de relatie leven/bewustzijn tot de Tweede Hoofdwet, vanwege mijn bemoeienis met het werk van spiritualist Ken Wilber (www.integralworld.net).

Door hierover te lezen hel ik over naar degenen die, zoals in Big History en Sagan/Schneider, het leven zien als in dienst van de Tweede Hoofdwet. Zij leggen de nadruk ook niet zozeer op orde maar op (biologische) organisatie. Dat is vooral een vorm van concentratie van moleculren die je buiten levende organismen niet zult aantreffen.

Het leven vormt denk ik een paradox, d.w.z. een SCHIJNBARE contractie. Terwijl de Tweede Hoofdwet aanstuurt op wanorde, gaat het leven en de evolutie in de andere richting, die van steeds grotere orde/organisatie. Hoe kan dat?

Zijn we een bootje dat tegen de stroom in aan het varen is? Maar waar halen we dan daarvoor de energie vandaan? Daar ligt volgens mij de connectie, die de paradox oplost. We halen de energie daarvoor uit diezelfde rivier! Want alle energie die van de zon komt (een entropie bom van jewelste) wordt door het leven geoogst en benut om (soms) steeds complexer te worden.

Zoals de zon zorgeloos miljarden jaren staat te branden en zijn kolossale hoeveelheid hitte afgeeft aan de ijskoude kosmische ruimte, zo branden wij er ook lustig op los. Eerst door voedsel te verbranden en warmte af te geven, maar vooral ook door fossiele brandstoffen op te stoken op een schaal die zijn weerga in de hele evolutionaire geschiedenis niet kent.

Zijn we nu een verzetsbeweging of een bende collaborateurs, als het gaat om de Tweede Hoofdwet, die op kosmische schaal regeert? Als je Chaisson mag geloven produceren wij als mens, omgerekend per tijdseenheid en massa, meer energie dan de zon. We zijn dus eigenlijk geavanceerde entropie-machines. Dat maakt ons toch in hoge mate medeplichtig.

Frank Visser said...

typo: "contractie" moet natuurlijk contradictie zijn: "Het leven vormt denk ik een paradox, d.w.z. een SCHIJNBARE contradictie.

gert korthof said...

Frank, het is goed dat je me even herinnert aan je website! Want ik was vergeten dat je je ook beziggehouden met de 2dlaw! Nu ik er mee bezig ben, wordt het voor mij weer actueel.

Eerst je opmerkingen hierboven: "We zijn dus eigenlijk geavanceerde entropie-machines": mooi gezegd, maar daar zit juist de ambivalentie van het leven in: entropie-machines: een machine is een complexe structuur die niet uit zichzelf ontstaat want een concentratie van een grote diversiteit van moleculen in een beperkte ruimte is statistisch hoogst onwaarschijnlijk. Dus gaat tegen de 2dlaw in. Dus: leven is gelijktijdig tegengesteld als bevorderend aan de 2dlaw.

Frank, als ik je website bekijk, we hebben een overlap in onze belangstelling, dezelfde boeken: ik zie hier dat je Hazen GENESIS: The Scientific Quest for Life's Origin gelezen en besproken hebt. Je citeert Hazen:
"What makes it highly interesting, these emergent complex systems "speed up the dissipation of energy as mandated by the second law." (p. 13).
Maar omdat het complexe systemen zijn, zijn ze systemen die constant tegen de stroom op moeten roeien!
Maar de beeldspraak werkt maar tot zekere hoogte. Je zegt ze halen de energie ook uit de rivier, maar daar faalt de beeldspraak. Zeg: de boot heeft een elektromotor die door een zonnepaneel wordt aangedreven zodat hij onafhankelijk is van de rivier.

En ik zie dat je hier het boek van Eric Schneider & Dorion Sagan Into the Cool: Energy Flow, Thermodynamics and Life hebt besproken. Heb ik ook gebruikt voor mijn blog!
Deze citaten:
1: "So, far from life going against the Second Law of Thermodynamics, it fully works in accordance with that Law."

2: "... is that complex organisms which seem to go against the universal tendency to produce entropy, are in fact more efficient in creating entropy than simpler systems."

3: "life is a thermodynamic system that arose naturally to reduce a gradient."

bevatten allemaal een verborgen ambivalentie: leven is weliswaar een proces dat entropie produceert, maar heeft daar een structuur voor nodig, en die structuur gaat tegen de 2dlaw in! Die structuur moet opgebouwd worden tegen de 2dlaw in.

met 3) heb ik een probleempje: van warmbloedigen in gematigd klimaat zones is de lichaamstemperatuur hoger dan de omgevingstemperatuur: dat is een gradient toch? die in stand wordt gehouden ten koste van energie, toch?

Al met al, dank voor je bericht op dit blog!

Frank Visser said...

Misschien voedt die rivier een waterkrachtcentrale die elektriciteit opwekt, die weer in mijn buitenboordmoter gebruikt kan worden om diezelfde rivier weer op te varen. Uiteindelijk allemaal dankzij het potentiaalverschil (gradient) tussen de bron van de revier en het zeeniveau.

Ik vind het voorbeeld van de tornado altijd heel verhelderend. Als er boven zee voldoende temperatuurverschillen zijn (warm zeewater, koude bovenlucht), dan maakt de natuur een structuur, de tornado, die op zichzelf heel onwaarschijnlijk is (want waarom zouden al die luchtmoleculen zich in zo'n vorm groeperen?), maar die juist heel effectief blijkt bij het neutraliseren van die temperatuurverschillen.

Normaal zouden die verschillen langzaam vereffend worden, maar door middel van een tornado gebeurt dit veel efficienter. (Zie de leuke filmpjes op YouTube over het "tornado-in-a-bottle" fenomeen). Op zich gaat die tornado dus in tegen de langzame toename van entropie of diffusie, maar blijkt zij een sterk wapen te zijn in het versterken van diezelfde entropie. Je zou het een "slimme" uitvinding van de natuur kunnen noemen, die echter alleen onder de juiste voorwaarden optreedt - dat is wel belangrijk.

Gaat een tornado nu in tegen de 2d Law? Ja en nee. Ja omdat het een complexe structuur is die onwaarschijnlijk is (als de juiste voorwaarden ontbreken) maar nee, omdat er niets tegen- of boven-natuurlijks plaatsvindt en de 2nd Law niet wordt weersproken of weerlegd. Er blijkt alleen dat op LOKAAL niveau neg-entropie kan voorkomen, terwijl op GLOBAAL niveaus de entropie toch toeneemt. Per saldo blijft de 2nd Law dus geldig.

Dat was ook een eye-opener voor mij: dat juist die toenemende productie van entropie van levende organismen die neg-entropie of complexiteit mogelijk maakt, en zonder bepaalde energiestromen dit hele proces niet op gang zou zijn gekomen. Natuurlijk is dit in de levende natuur allemaal op heel kleinere schaal begonnen. Maar ook dan zijn de gradienten (chemisch, termperatuur, zuurgraad, lichtenergie, etc.) cruciaal geweest om het proces op te starten.

Aan de andere kant: een zeilboot is niets zonder de wind (luchtdrukverschillen zijn een mooi voorbeeld van gradienten) maar de wind heeft de zeilboot niet gemaakt. Dat hebben wij gedaan. Maar in de natuur is dat wel gebeurd (zie de wervelstorm, die wordt door de voorwaarden geschapen): de juiste voorwaarden (lees: gradienten) scheppen bepaalde vormen of structuren van complexiteit.

Door zo de nadruk op de juiste voorwaarden te leggen wordt het pardoxale van het leven niet weggepoetst, maar in een context geplaatst. We zijn de klontjes in de pap.

gert korthof said...

Frank, die tornado is een goed voorbeeld van hoe een onwaarschijnlijke structuur ontstaat door een warmtegradiënt. Maar dat kun je niet als metafoor zien voor het leven, want die tornado is een tijdelijke structuur die verdwenen is zodra er geen warmtegradiënt meer is. Het leven is een structuur die erfelijke variatie kent en daarmee de mogelijkheid heeft tot evolueren. Dat heeft een tornado allemaal niet.
Maar goed, misschien zou je het leven kunnen zien als een zeer geavanceerde tornado die gespecialiseerd is in bepaalde energiebronnen (zonlicht, fotosynthese en daar van afgeleide biologische energiedragende stoffen); die er in geslaagd is om informatie over alle manieren van het verkrijgen van energie en informatie over zijn eigen structuur op te slaan in een informatiemolecuul (DNA); en zich weet aan te passen aan veranderende omstandigheden door zich te diversificeren in miljoenen subtype tornado's genaamd soorten (species). De overeenkomst van een tornado met levensvormen is immers dat ze allebei verdwijnen als er geen energiebron meer is. Het verschil is dat ik geen gradiënt zie in energierijke ATP, koolhydraten, eiwitten en vetten (ook genaamd voedsel) zoals dieren doen.

harryp said...

Gert

een hele goeie, je opmerking over die 'verborgen ambivalentie: leven is weliswaar een *proces* dat entropie produceert, maar heeft daar een structuur voor nodig, en die *structuur* gaat tegen de 2dlaw in! Die structuur moet opgebouwd worden tegen de 2dlaw in."

Maar het hangt er maar vanaf hoe je die tweede wet interpreteert: zie het onderzoek van Glotzer en haar 'shape entropy". De zelforganiserende structuren die zij vindt, zijn juist volledig conform die tweede wet.


en ja, structuur is een ander woord voor informatie. En het wonder is dat de natuur er kennelijk in slaagt die aardig te reproduceren, en niet te vergeten, ook goed te gebruiken. ... Een beetje zoals Maxwell's demon eigenlijk, maar dit terzijde ;-)




gert korthof said...

Harry, ik heb dit bericht over Sharon Glotzer gelezen:
https://www.sciencedaily.com/releases/2012/07/120726142200.htm
en zij heeft het over kristal vorming, en hoe complex ook, ik zie nog even niet hoe dat relevant kan zijn voor het ontstaan eerste leven.

Ik citeer Frank: "maar de wind heeft de zeilboot niet gemaakt". Daar zit het probleem voor het ontstaan van het eerste leven. De zeilboot is een complexe structuur. Door een gradiënt verschil ontstaat er een orkaan maar geen zeilboot en geen cel.

harryp said...

Gert

prima, dat je over Glotzer las (en dank voor de link)

mijn punt was dat zij laat zien dat je op moet passen met de gangbare interpretatie van entropie als wanorde. We hebben het hier over een groot misverstand dat de discussie van het begin af aan al vaak vertroebelde (zie bijvoorbeeld ook het afscheidscollege van F. Saris, Leiden, 2005, met zijn fraaie, beeldende einde):

als er meer manieren voor dingen zijn om geordend dan om ongeordend te zijn - bijv vanwege hun ruimtelijke vorm- dan zegt de tweede wet dat ze uiteindelijk geordend zullen zijn - als alle microtoestanden even waarschijnlijk zijn. Zonder invloed van buitenaf.

de tweede wet *beschrijft* dit alleen maar, verklaart niks: het is puur statistische/kans logica. Dat is de kritiek van Maxwell.

Dat de wetenschap een probleem heeft met het ontstaan van het leven, daar heb ik geen metaforen meer voor nodig En onderzoek als dat van Glotzer lost dat dus ook niet even op. Had ik dat dan gesuggereerd?

Overigens kent de tweede wet uiteindelijk maar één harde limiet: een eindige geheugencapaciteit. Deleten van informatie is (logisch en thermodynamisch) irreversibel. Maar wie weet, zit daar een quantummechanische loophole. (zie boven)

gert korthof said...

Harry, dat misverstand is begrepen. Nee, je had het niet gesuggereerd, maar ik ben al jaren geobsedeerd door het probleem van het ontstaan van het leven! En het is lekker om een theorie die het hele probleem 'oplost' neer te schieten :-)
Je weet toch dat mensen die terecht wijzen op problemen, fouten en tekortkomingen hoger aangeslagen worden? Uit studies is gebleken dat commentatoren en recensenten intelligenter en serieuzer worden beoordeeld dan hun vakgenoten die lovende woorden gebruiken. (Steven Pinker)

In dit KNAW symposium wordt het probleem van the origin of life ook niet opgelost:
https://www.knaw.nl/nl/actueel/agenda/ontstaan-van-leven
maar het kan leuk zijn, en nieuwe gezichtspunten opleveren, en je leert mensen kennen in Nederland die er over nagedacht hebben en je kunt er mee in discussie gaan. Jammer dat het (weer) s avonds is: een avond symposium!

harryp said...

Gert,

"ik ben al jaren geobsedeerd door het probleem van het ontstaan van het leven!"

ik ook.

het idee dat wij een soort koeltorens zijn, 'dissipatieve structuren', die de 2de wet alleen maar versnellen, roept meer vragen op dan het beantwoordt: hoezo een wet versneld uitvoeren?!

dat gejongleer met die termen 'micro-' en 'macrosysteem', zit me ook niet echt lekker. Zodra je buiten de gangbare voorbeelden van die koffie en dat gas gaat, kom je in de problemen. Jij misschien niet, maar ik wel! ;-)







harryp said...

gert

als bioloog zit jij te veel vastgebakken aan dat vlees. Zo kom je nooit uit dat probleem van het leven.

als psycholoog weet ik dat het allemaal uiteindelijk niet om vlees, maar om heel iets anders draait: intelligentie.

En die werkt heel goed, zelfs beter, zonder één stukje vlees.

Ok, we moesten even door dat stadium van 'red in tooth and claw' heen, (zie ook vorige discussie!) maar zodra we kans zagen, losten we dat probleem snel op - stukken sneller dan onze neven die nu pas hun stenen tijdperk zijn ingegaan.

En binnenkort worden we - zonder vlees - zó intelligent dat we dat demon van maxwell optimaal gaan mobiliseren. Dat doet dan voor ons álle werk. Voor niks. Net als de zon die ook voor niks op gaat. Die free lunch bestaat dus. Zijn we ook meteen mooi klaar met die finetuning!

zoiets... ;-)

gert korthof said...

Harry: het idee dat wij een soort koeltorens zijn, 'dissipatieve structuren', die de 2de wet alleen maar versnellen, roept meer vragen op dan het beantwoordt: hoezo een wet versneld uitvoeren?!
Goed punt. Dat is precies de theorie van Karo Michaelian. (komt een blog over)
Een wet versneld uitvoeren: een waterval stroomt sneller dan een rivier, een warmbloedig dier geeft meer warmte af aan zijn omgeving dan een koudbloedig dier: versnelt entropie? bedoel je dat? een maatschappij die op fossiele energie en met veel energieslurpende apparaten (airco's in de zomer, verwarming in de winter, koelkasten hele jaar, etc) produceert meer entropie en dus versnelt entropie proces. Bedoel je dat?

harryp said...


Gert,

Dat een warmbloedig dier meer energie 'vreet' dan een koudbloedig, dat is gewoon de tweede wet. En die zien we terug in de wet van Kleiber - in de biologie dus: er kúnnen geen muggen zijn zo groot als een olifant, geen bomen hoger dan plm 125 mtr etc etc.

Maar wij versnellen op alle mogelijke manieren de 2de wet- en dat zie je niet terug in geen enkele biologie. Niet alleen door onze koelkasten etc. Neem onze steden- enorme dissipatieve structuren!. Ik weet het, termieten bouwen heuvels/steden, letterlijk koeltorens. Maar zie die nachtfoto's van de aarde: al die lampen waren er pakweg 100 jaar geleden nog niet. En die termietenheuvels al tig miljoen jaar. Over versnelling gesproken.

Maar: we versnellen de dissipatie volgens de geleerden óók, door met woorden (wetten) orde in de chaos te scheppen. Omdat de hoeveelheid energie gelijk blijft, kan de entropie hier door al die woorden/wetten misschien afnemen, maar neemt hij elders onherroepelijk toe.

Je moest eens weten hoeveel chaos Boltzmann met zijn wet heeft veroorzaakt! ;-)


even terug naar het begin van je blog

kwam ik toevallig tegen, maar zal je vast interesseren, al is het al 5 jaar oud:
“Close to a miracle” October 2013 ASBMB http://www.asbmb.org/asbmbtoday/asbmbtoday_article.aspx?id=48961

plm 150 ya, schreef Darwin 'unless profitable variations occur, natural selection can do nothing.

Deze éne zin vat volgens mij het hele probleem- inclusief dat van het darwinisme zelf- samen.

Szostak. For selection to start happening to peptides, there has to be that spark of function. How that spark appears remains the big, elusive question in the field of protein origin.

Juist.


Toch las ik laatst dat eiwitten maken peanuts is. Zie bijv doi:10.1098/rsif.2008.0085- maar die lui citeren dat onderzoek van Szostak dus niet!

Vraag, wat denk jij:

Kun je klein beginnen zoals Szostak suggereert? Maar wat was dan die eerste functionaliteit, zeg fitness, of voor mijn part 'die eerste profitable variation"?

Entropie reductie, ehh (adaptieve) dissipatie?

Maar hoe was die ueberhaupt mogelijk?

Zie de logica van de tweede wet in termen van mogelijkheden (ipv chaos), volgens Glotzer en ook Frans Saris bijv.

(ik mis Marleen nu toch wel een beetje die altijd zo mooi kon roepen dat het uiteindelijk toch allemaal natuurlijke selectie is (nou ja, plus een beetje drift!) ) ;-)





gert korthof said...

Harry: dit is uiterst itneressant: " “Our proteins — made from scratch and never (having) been through evolution — can provide a life-sustaining function,” Hecht says.
"
(wordt vervolgd)

harry pinxteren said...

juist gert,

dat is de crux:

darwinisten denken dat 'voordeel' de functie verklaart. Maar het is andersom: arrival komt vóór survival

En dat is dus een heel groot probleem (analogie met psychometrie)

ben zeer benieuwd!

gert korthof said...

Harry, bedankt voor je link
http://www.asbmb.org/asbmbtoday/asbmbtoday_article.aspx?id=48961
ook al is ie uit 2013.

Dit is belangrijk en is het vertrekpunt van experimenten:
Evolution has this catch-22: Nothing evolves unless it already exists

Het eerste experiment is:
more than a million (!) polypeptide chains composed of hydrophobic and hydrophilic residues
deze zijn pseudo-random omdat hydrophobic and hydrophilic residues moesten hebben,
maar waren niet in de natuur voorkomende eiwitten,
deze werden ingebracht in E. coli
en een klein deel daarvan vouwde (is essentieel voor functie)
en een deel daarvan kon gemuteerde E.coli's redden
dus deed iets, ook al was het zwak.
Maar heb je iets zwaks dan kan natuurlijke selectie het versterken .

Omdat dit nog complexe eiwitten waren is een tweede experiment gedaan:
Szostak did an experiment ... They tested 6 trillion (!) peptides, each with 80 randomly selected amino acids for ATP binding.
...on the order of one in 10 tot de macht 11 sequences (!) had succes
dus:
.... “Getting function from randomness is hard.”

dit soort experimenten zijn verkenningen van 'protein space' = het universum van alle mogelijk eiwitten.

in het slot van het artikel worden suggesties gedaan hoe de natuur dit opgelost zou kunnen hebben...

harryp said...

gert


"Maar heb je iets zwaks dan kan natuurlijke selectie het versterken"

is 'iets zwaks' niet hetzelfde probleem als Szostaks 'vonk'?

Ofwel, “Getting function from randomness is hard.”

wat niet wil zeggen dat die niet uit kan lopen op een 'evolutionairy arms race" zoals bijv het 'simple physical effect" ic 'higher levels of phospholipids in [cell] membranes" zie https://doi.org/10.1002/anie.201704048 (Szostak, 2017)

maar ook hier: je begint met een 'simpel fysiek effect'.

gert korthof said...

Harry, dank voor je artikel: "The Narrow Road to the Deep Past: In Search of the Chemistry of the Origin of Life" van Prof. Jack W. Szostak. Dat ga ik uiteraard lezen!