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

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'). Een warmbloedig dier is een uitstekend voorbeeld daarvan. Als een lichaam koud aanvoelt en niet meer beweegt: bel 112. Niet levende dingen zijn typisch in thermodynamisch evenwicht met hun  omgeving. Ze hebben dezelfde temperatuur als hun omgeving.
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 [15]. We doen ons hele leven niet anders. Dat is 'natuurlijk'. Dat is normaal. Dat is leven. Dat is biologie. Maar als je nadenkt over hoe de fysische natuurwetten in elkaar zitten: is dat wel zo natuurlijk? Uit fysisch oogpunt is het leven juist onnatuurlijk. Had de fysica niet anders gekund? Is de tweede hoofdwet noodzakelijk? Zijn er in andere universa misschien 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.

Thermal imaging. Zoogdieren zijn warmer dan hun omgeving
youtube

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]. 

Echter, warmte afgifte is een passief proces, terwijl energie opname een actief proces is (eten). De gebraden duiven zullen u niet in den mond vliegen. Levende wezens kunnen warmte afgifte wel beïnvloeden: kleiner of groter maken. Ze zullen hun warmte afgifte nooit maximaliseren. In tegendeel. Warmbloedige dieren hebben eindeloos veel mechanismen ontwikkeld om warmteafgifte te beperken: vacht, vet, veren, winterslaap. Energie is niet gratis, niet onbegrensd en niet permanent aanwezig. Dus, er is concurrentie voor energiebronnen. Dat is de struggle for life. Zonder dat zou evolutie misschien wel tot stilstand komen! [16] Bovendien, de opname van energie (voedsel) mag niet te lang onderbroken worden, anders sterf je.

Jeffrey Wicken beweert zelfs dat het leven dankzij de tweede hoofdwet bestaat! [7]. Dat gaat ver. Te 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 bezwaar: welk voordeel heeft een organisme er aan om de entropie in het heelal te vergroten? Organismes streven er in het algemeen naar om rond te komen met zo weinig mogelijk energie, dus om energie zo efficiënt mogelijk te gebruiken [12]. Men moet oppassen een neveneffect (energieverbruik) voor een hoofdeffect aan te zien [13]. Tweede bezwaar: waarom gaan organismes eigenlijk dood? Als je dood bent kun je de entropie van het heelal niet meer vergroten [17]. Derde bezwaar: alle dieren eten andere dieren of planten. Daarmee beëindigen ze andere levens. Andere dissipatieve structuren!

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 ook niet tegen de stroom 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

• Klaas Landsman (2). Het zgn. fine-tuning for life argument
• Over het boek Naar alle onwaarschijnlijkheid. Toeval in de wetenschap en filosofie van Klaas Landsman (1)

 

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. Individuen die het efficiëntst met energie omgaan bereiken hun overwinteringsplaatsen. Dieren als vleermuizen houden een winterslaap omdat ze 's winters niet genoeg energie kunnen verzamelen om in leven te blijven. [15]
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]
15. En we moeten eten om onze lichaamstemperatuur te handhaven. Vooral in koude omgevingen. Maar vleermuizen kunnen bij gebrek aan voedsel hun lichaamstemperatuur laten zakken, hun hartslag en ademhaling vertragen en zoeken een koele plek op waardoor ze minder energie verbruiken. In de winter gaan ze in winterslaap. Met dank aan de tweede hoofdwet van de thermodynamica. [toegevoegd 28 Juni 2019] 
16. Toegevoegd 1 juli 2019. Warmbloedigen (zoogdieren) hebben als doel hun lichaamstemperatuur binnen nauwe grenzen te houden. Daarop passen ze hun gedrag aan. Mensen gaan 's winters niet bloot buiten lopen in de sneeuw om hun temperatuur afgifte te maximaliseren! Ook binnenshuis hebben we centrale verwarming met een thermostaat, zonneschermen en airco geïnstalleerd. Natuurlijk: verwarmen en koelen kost energie. Maar het doel is een optimale temperatuur te bereiken. En het klopt dat warmbloedigen meer energie verbruiken dan koudbloedigen omdat ze een hogere lichaamstemperatuur na streven dan hun omgeving. Wetenschappers die in maximale dissipatie geloven moeten 's winters naakt buiten lopen en geen verwarming in huis installeren!
17. Dood toegevoegd; dieren eten andere dieren of planten, plus hier en daar kleine verbeteringen in de tekst. 11 dec 2023.