14 August 2020

The difference between physics and biology.

What is the difference between animals, plants, bacteria and viruses on the one hand and stars, volcanos, clouds, rivers, and rainbows on the other hand? Physicists don't understand the difference between a mouse and a cup of tea.
This blog post originated from a discussion with physicist Karo Michaelian about his book Thermodynamic dissipation Theory of the Origin and Evolution of Life.  The difference between physics and biology is a topic that deserves a blogpost. It will be an informal discussion.

If organisms are just physical objects and must obey the laws of physics, what biological laws could exist? Physicists explained the Universe. Physicists have finally arrived at The Theory of Everything which explains all known physical phenomena in the universe from the smallest to the most massive things [11]. And organisms are in between. If organisms are physical objects, they are also explained by The Theory of Everything. They should also obey physical laws. But then, do we need Darwin? Do we need Mendel? Do we need Watson & Crick? Could the biology department be subsumed in the Physics department and send biologists home? Let's listen to a physicist:

" ...the biologists simply are not trained to think in terms of symmetries and fundamental laws, as physicists are. (...) Biologist want simple answers that can be written out in a single paragraph, with learning as little mathematics as possible, and they found one in the perspective of Darwin (and, of course it is a perspective and nothing more). It works as a nice description for some things, but it is only a poor description of reality and misses completely at understanding the fundamental function of life. The physicist wants to know what is behind this Darwinian description and this thermodynamic view opens a completely new paradigm with a much richer and profound understanding." Karo Michaelian, August 12, 2020

No wonder that physicists –in possession of the Theory of Everything– want to invade and occupy the territory of biology. As if it were a war. There is only one real science. The usefulness of mathematics for physics is easily explained. Physics deals with dead things. Dead things behave rather predictably. They are being moved by external forces. Newton! The movements of the planets! [12]. But living objects move themselves. In a way that cannot be predicted by physics. How come?

The first difference between physics and biology: complexity. There are only 118 chemical elements, but millions of biological species. The chemical elements do not vary, except radioisotopes which behave predictably. Humans have DNA with 3.5 billion bases. All humans differ genetically. There are 67.3 million single-nucleotide polymorphisms in the human  population [4]. A human body has millions of cells, each cell contains in total 42 million protein molecules. The majority of proteins exist within a narrow range - between 1000 and 10,000 molecules. Some are outstandingly plentiful at more than half a million copies, while others exist in fewer than 10 molecules in a cell [1]. And these are only proteins. Physics has no laws for this huge amount of complexity. Physics studies dead and simple things.

A hot cup of tea (source)
A hot mouse (Apodemus sylvaticus) ©GK

Most importantly, physicists don't understand the difference between a mouse and a cup of tea. A mouse maintains a temperature difference between its body and the environment. A cup of tea also has a higher temperature than its environment. But what happens with the cup of tea? The temperature difference has gone within an hour. Just obeying the laws of physics. The mouse maintains the temperature difference all its life. Physical laws don't explain the difference in behaviour between a cup of tea and a mouse. Physics cannot explain how the physical object called 'mouse' maintains its temperature. This example alone suffices to suggest that we need a separate science. It's called biology, the science of the living things.

Does a mouse maximize heat loss? Being naked would help! That would very likely maximize heat loss [9]. Heat loss may be a driving force in the abiotic and pre-biotic world. But living organisms have subsystems that control energy uptake, energy production, energy use, energy storage, and heat loss [5]. Those systems by-pass physical laws without violating them. Just as birds and air-planes do not violate the law of gravity.
In the living world, energy is under control, it is regulated: thermo-regulation. Because it is under control, pure physical laws cannot be applied. Therefore, physical laws cannot be the driving force of evolution.

Yes, physical laws constrain the properties of living organisms, but within those constrains there is freedom to shape organisms. And what a shapes there are! Endless forms most beautiful! Heat loss occurs in living organisms, but it is not a driving force, certainly not the driving force. Energy management is one of the fundamental differences between biological and physical systems. This is under genetic control. Genetics is information [6]. The control of chemical and physical processes is the main difference between living and physical systems [2], [5]. It is part of the definition of life.

I add two important reasons why organisms have energy control systems:

  1. without energy control they die. Energy uptake is not maximized, but optimized.
  2. organisms can produce more offspring if they use energy more efficiently. That's the evolutionary reason.

Organisms that are less energy efficient waste energy and cannot invest as much energy in reproduction because that's an energetically very costly process. In general: energy efficient organisms, especially animals, out-compete less energy efficient organisms. Energy efficient organisms are winners, energy wasters are losers [3]. Warm-blooded animals have fat, fur or feathers to prevent heat loss. Whales, dolphins, seals and other marine mammals can generate their own heat and maintain a stable body temperature despite fluctuating environmental conditions. But these animals take thermoregulation to an extreme, enduring water temperatures as low as –2 degrees Celsius and air temperatures reaching –40 degrees C [7]. They have biological inventions that oppose heat loss. That's against the Thermodynamic Dissipation Theory. Life is a successful fight against the Second Law of Thermodynamics, against disorder, against equilibrium [10]. There is certainly no attempt to lose as much heat as possible. That would be insane [13].

Dead Weasel Mustela nivalis ©GK

Even a dead weasel is not quite a dead physical object as can be seen on the picture above. It is teeming with life. Flies are the first organisms to occupy the unfortunate animal. Many follow, including bacteria, worms, beetles, fungi, maybe a fox or a raven [8].

So, if physicists are blind and deaf for the differences between living and dead objects, no useful exchange of ideas between physicists and biologists will happen. Arrogance and ignorance will be deadly for any communication. Only as equal partners in science we will understand life.


  1. A cell holds 42 million protein molecules, Science daily January 17, 2018
  2. I wrote about that in my review part 2 of Thermodynamic dissipation Theory.
  3. See further 'Not Wasting Energy' in my review part 2. 16 May 2018.
  4. For more details see: Open Questions / Genetic variation in this review.
  5. 'Processes in living systems must be regulated and controlled' is one of 5 Real (absolute) life criteria. See my Ganti review. In engineering it is known as: Control Theory. Heat production in a 'warm-blooded' animal is regulated. Otherwise the animal would be overheated and die. The heat is generated by Brown Adipose Tissue. On the other hand, in some animals their metabolic rate and body temperature drop during the night to conserve energy (torpor). To conserve energy! Regulation! Control!
  6. Information is the difference between life and matter, A review of Hubert Yockey's 'Information theory and molecular biology'. Yockey is a physicist.
  7. How do marine mammals avoid freezing to death? Scientific American, 13 May 2009.
  8. Thousands of unexpected microbes break down our bodies after death, Science, Dec. 10, 2015 
  9. If not maximize and not minimize heat loss (minimize heat loss is against TDT), than anything goes? Any value would be compatible with the Thermodynamic Dissipation Theory? But then it would be unfalsifiable! The theory would not forbid anything. It would not predict anything. It would not say one thing about the world. It would make the TDT non-empirical and theory-less. Worst of all: no mathematics involved! That's a serious matter. 14 Aug 2020 15:09
  10. A friend of mine, Frank Visser, uses this illuminating metaphore: life behaves like a sailboat sailing into the wind. A sail boat has the ability to move forward despite being headed into the wind. Life is also sailing against The Second Law of Thermodynamics dictating that order becomes disorder. 21 Aug 2020;
  11. In a comment Karo Michaelian wrote "Almost all physicists agree that we have discovered all of the fundamental laws of nature needed to begin an attempt at describing complex systems through these formalisms, both living and non-living systems. We do not need new laws." I would like to see how Michaelian derives Mendel's laws from physical laws! 23 Aug 2020
  12. Newton ignored the composition of the planets, the elements, the temperature, the composition of the atmosphere. In short: everything geologists, biologists and climatologists are interested in. Newton used abstract planets. Furthermore, physicists use 'ideal gas' or 'perfect gas' (an ideal gas is a theoretical gas composed of many randomly moving point particles that are not subject to interparticle interactions);  a point particle is an idealization of particles heavily used in physics: it lacks spatial extension; being dimensionless, it does not take up space. So, even dead things are often too complicated for physicists! 27 Aug 2020
  13. To save energy animals go into hibernation or torpor. Some hummingbirds in South America go into torpor: a state of reduced metabolic activity and temperature that is not unlike hibernation, but only one night long. (Nature) 11 Sep 2020

Further Reading

  • Ernst Mayr (2004) What makes Biology Unique? Considerations on the autonomy of scientific discipline. (a defence of the autonomy of biology). See my summary.
  • Stuart Kauffman (2019) A World Beyond Physics: The Emergence and Evolution of Life. Stuart Kauffman is a theoretical biologist. Especially relevant is: Beyond Law: Biology Cannot Be Reduced to Physics in chapter 11. See my blog about the book (11 September 2020).



Postscript 25 Aug 2020

After writing this blog I discovered the views of theoretical biologist Robert Rosen

"By proposing a sound theoretical foundation for studying biological organisation, Rosen held that, rather than biology being a mere subset of the already known physics, it might turn out to provide profound lessons for physics, and also for science in general".

The wikipedia page contains a rather detailed description of his theories about living systems and how they differ from physical systems. His book Life itself (2005) is still available at amazon. Large parts can be read at google books.

06 August 2020

De manen van Jupiter: zelf zien en fotograferen wat Galilei 400 jaar geleden door zijn telescoop zag

Is het niet wonderlijk? Je ziet een opvallende ster aan de hemel. Wanneer je de ster door een verrekijker bekijkt of het met een telelens fotografeert, dan blijkt het de planeet Jupiter te zijn. Jupiter is echt de leukste planeet. Want hij heeft 4 duidelijk zichtbare manen! Je hebt geen dure telescoop nodig. 
Nog leuker: de onderlinge standen van de manen veranderen waar je bij staat. Het gaat niet gauw vervelen. Er zijn eindeloos veel configuraties mogelijk. Je kunt weten hoe laat het is uit de standen van de manen ten opzichte van elkaar, en of ze links of rechts van Jupiter staan. Je kunt er de klok op gelijk zetten. Die manen moeten zich met een rotgang rond Jupiter bewegen.
Moons of Jupiter (detail)
pijltje geeft moment van foto 1

Ik vond een interactief diagram met de banen van de manen op een zelf te kiezen dag, maand en jaar. De grijze verticale balk in het midden is Jupiter. De manen zijn met verschillende kleuren aangegeven. NB: op het diagram zie je ook nog of de manen voor of achter Jupiter bewegen. De witte lijn met pijl geeft het moment waarop deze foto is genomen:
foto 1: 5 aug 2020 23:03:41 Jupiter
Sony 70-350mm ISO:102400 1/15 sec
contrast is verhoogd om vierde maan zichtbaar te maken

U ziet Jupiter met de vier manen. De gefotografeerde manen komen overeen met wat voorspeld is. Soms zie je maar 3 of 2 (20 augustus) of zelfs maar 1 maan (5 sept): dan staan ze voor of achter de planeet. Of ze bedekken elkaar. Fascinerende materie. Ik heb de opname iets moeten onderbelichten en foto iets donkerder moeten maken om te voorkomen dat Jupiter zijn dichtstbijzijnde maan overstraalt. Nota bene, een planeet. Geen ster. Dus uitsluitend gereflecteerd zonlicht. Net als onze eigen maan trouwens. Hier een opname van 2 augustus met 3 manen:
foto 2: Jupiter met 3 manen. 1/25 sec. ISO:32.000
de 'verdwenen' maan gaat voor Jupiter langs.

Bijzonder is dat deze foto's zonder statief zijn gefotografeerd. Onmogelijk zult U zeggen! Waanzin zal een ander zeggen. Nog een ander: amateur! Maar, ik houd geen pleidooi voor sterrenfotografie zonder statief. Ik wil met deze foto's laten zien wat er allemaal verbeterd is in de fotografie en in de kunst van het maken van objectieven. Sinds Galileo Galilei (1564-1642), de ontdekker van de 4 manen, is de techniek astronomisch verbeterd! En nu kan iedereen de sensatie die Galileo ervoer herbeleven. Een belangrijke vernieuwing is de Optical Steady Shot (OSS). Er zit een bewegingssensor in de lens of camera die bewegingen van je hand compenseert. Een bijzonder slimme, nuttige en wonderbaarlijke uitvinding. Het fotograferen van sterren en planeten is laagdrempeliger geworden. Het is fantastisch om dezelfde ontdekkingen te doen over de bewegingen van de vier manen als Galileo 400 jaar geleden deed. Galileo zou zijn ogen niet geloven als hij dit zou zien.

Nu zitten er wel grenzen aan deze OSS techniek:
opname tijd veel te lang: 1/2 sec.

Bij een te lange opname tijd zie je de trillingen van je hand terug in een trillend spoor van de manen en Jupiter zelf. Het lijken bliksemschichten.

Het blijft fascinerend om te ontdekken dat dat ene lichtpuntje aan de zuidelijke sterrenhemel helemaal geen ster is maar een planeet waar 4 manen om cirkelen! Een planetenstelsel in het klein. Te bewonderen vanuit je eigen tuin of dakraam.

Postscript 17 aug 2020


SonyA6400 met Sony 70-350mm. ©GK

Ik kon het niet laten: een uurtje na een heftige onweersbui, was er een stukje heldere lucht. Daarin stond Jupiter te pronken. Ook in overeenstemming met de Jupiter-manen kalender waren er op dat tijdstip 4 manen te zien. De tweede zit links tegen Jupiter aan geplakt. Jupiter overstraalt die maan, dus ik moest achteraf het contrast aanpassen om hem enigszins zichtbaar te maken. Op de computer wordt de ISO van deze foto aangegeven als 65.535 *). Dat is fout want op de camera had ik het maximum 102400 ingesteld. Het blijkt dat tijden van 1/15 of korter goed genoeg zijn voor een 'scherp' beeld. Langer dan 1/10 seconde worden stippen streepjes. Alles uit de hand geschoten met uiteraard Optical Steady Shot aan.

*) 2^16 =65.536. Als je bij nul begint te tellen is het 65.535. Misschien heeft het programma dat op Ubuntu ISO moet weergeven van een foto gewoon 65.535 als maximum?

04 August 2020

Cameranu.nl : Een halen, Twee betalen

Een bedrijf is zo sterk als zijn zwakste schakel. Een ketting breekt op het punt waar de zwakste schakel zit. Bij het bedrijf cameranu.nl is de zwakste schakel de administratie. Wat is er aan de hand?
Ik had een camera plus lens gekocht bij camernu.nl. Ik had er nooit eerder iets besteld. Ik had dit bedrijf gekozen op aanraden van een fotograaf en omdat ze als enige de mogelijkheid boden om te betalen bij aflevering. Je kunt dan de bestelling controleren en als alles klopt betaal je. Geen risico. Bovendien leek het me wel zo veilig om in coronatijd thuis te laten bezorgen. De koerier, die met een bestelwagen van Cameranu kwam, wist niet dat de klant aan de deur moest betalen. De chauffeur liep al terug naar zijn wagen, toen we hem nariepen dat we nog moesten betalen. Nogal slordig. Heeft hij niet goed naar de factuur gekeken? Of heeft cameranu.nl heeft het er niet opgezet? Hoe dan ook: in beide gevallen nogal slordig.

Ik had een review geschreven op een beoordelingswebsite op verzoek van het bedrijf zelf. Om het bedrijf te helpen maakte ik melding van het feit dat de chauffeur niets van betalen bij aflevering wist. Dat laatste is natuurlijk niet in het belang van het bedrijf. Voor de klant heeft dat geen nadeel. Ruim een maand later kreeg ik een 'betalingsherinnering':

Dat is even schrikken. Of ik binnen 7 dagen wilde betalen. Gelukkig had ik nog het betaalbewijs van hun eigen mobiele pinautomaat en mijn bankafschrift. Ik mailde dat naar het bedrijf met een CC naar de fotograaf die mij Cameranu had aanbevolen. Want ik vond dat hij het ook moest weten. Ondertussen was ik niet al te gerust op een goede afloop. In mijn dromen zag ik al deurwaarders met geweld mijn woning binnendringen om de betaling ter plekke af te dwingen of persoonlijke eigendommen in beslag te nemen. Vijf dagen later kreeg ik het verlossende bericht:

Conclusie: bijna 5 weken na de aankoop is de betaling nog niet verwerkt. En het kostte 5 dagen nadat ik de betalingsbewijzen had opgestuurd om in de administratie te achterhalen of ik betaald had. Niet handig voor het bedrijf zelf. En niet klantvriendelijk.
Het is allemaal zo makkelijk te voorkomen: even controleren of er al betaald is voordat je een herinnering stuurt. Opgeteld: 3 of 4 fouten in totaal. Voor een enkele bestelling. Ik begrijp nu de klachten die je op het internet kunt vinden. Zou de directeur van dit soort fouten weten? Zo ja, wat gaat hij hier aan doen? Zo niet, hoe kan hij dan een bedrijf managen?

De essentie van boekhouden:
  • mensen een factuur sturen die nog niet betaald hebben,
  • mensen die wel betaald hebben geen herinnering sturen
Vroeger heb ik zo'n soort fout waarschijnlijk ook wel eens gemaakt. Eerst doen, en dan pas nadenken. Maar ik heb geen bedrijf dat afhankelijk is van een goede reputatie. Ze maken geen camera's, het zijn dozenschuivers. Dus: wat moeten ze als eerste in orde hebben? Ik erger mij mateloos aan dit soort fouten. U moet maar Uw eigen conclusie trekken.
In het algemeen: de samenleving zou toch een stuk prettiger zijn als mensen gewoon hun werk deden. Er zouden in ieder geval geen klachtencommissies en klachtenwebsites nodig zijn.

De volgende blogpost gaat weer over fotografie!