Skip to main content

Biologie en de tweede hoofdwet van de thermodynamica

De natuurlijke neiging tot wanorde contra orde en structuur van het leven

De tweede hoofdwet van de thermodynamica kan op verschillende manieren geformuleerd worden, afhankelijk van de invalshoek (energie, warmte, entropie).  Wat ons in dit artikel interesseert, is het feit dat eender welke massa de neiging heeft om dezelfde temperatuur te krijgen als de omgeving. Dat komt dicht bij de 1. Clausius-formulering uit 1850:

Warmte kan nooit spontaan van een kouder naar een warmer lichaam stromen.

De entropie-formulering van Boltzmann & Clausius is één van de bekendste:

In een geïsoleerd systeem kan de totale entropie nooit afnemen. Ze blijft gelijk (bij een ideaal omkeerbaar proces) of neemt toe (bij een reëel, onomkeerbaar proces).

ΔS≥0

S = entropie (maat voor de verspreiding van energie of de mate van wanorde).

In de praktijk neemt entropie bijna altijd toe, omdat er altijd irreversibele processen zijn (wrijving, warmteverlies, chemische reacties).
Later (1870s) formuleerde Boltzmann het zo: statistische formulering

Entropie hangt samen met het aantal microscopische toestanden (W) waarin een systeem kan verkeren:

S=k⋅ln(W)


waarbij:

  • S = entropie
  • k = constante van Boltzmann
  • W = aantal mogelijke microtoestanden

👉 Hoe meer mogelijkheden, hoe groter de entropie.
Hieruit volgt de derde hoofdwet van de thermodynamica (Nernst, 1906). deze wet zegt:

De entropie van een perfect kristal nadert 0 wanneer de temperatuur nadert tot 0 Kelvin (−273,15 °C).

 Samengevat

De tweede wet van de thermodynamica is de reden waarom er afvalwarmte, slijtage, ruis en verliezen bestaan in álle technische systemen. Ze is tegelijk de motor van de techniek: zonder de neiging tot entropie konden we geen motoren, koelkasten of batterijen bouwen.

 

Entropie: ‘de natuurlijke neiging tot wanorde’

De natuurwetten beschrijven dat alle gesloten systemen (dus zonder toevoer van energie van buitenaf) spontaan evolueren naar een toestand van grotere entropie.

  • Eenvoudig gezegd: warmte verspreidt zich, orde valt uiteen, structuren vergaan.
  • In de natuurkunde: entropie is een maat voor wanorde of de verspreiding van energie in een systeem. Hoe hoger de entropie, hoe minder bruikbare energie er nog is.
  • In de informatietheorie: entropie (Shannon) is een maat voor de hoeveelheid onzekerheid of willekeur in een bericht.

Dit principe heeft te maken met kans en waarschijnlijkheid.

  • Er zijn veel meer manieren waarop materie of energie wanordelijk kan zijn dan waarop het geordend kan zijn.
  • Voorbeeld: als je een doos hebt met luchtmoleculen, dan is het extreem onwaarschijnlijk dat ze allemaal netjes in één hoek gaan zitten. Ze verspreiden zich vanzelf gelijkmatig.

Dus: systemen gaan spontaan naar de meest waarschijnlijke, meest verspreide toestand: hoge entropie.

Dit is één van de meest belangrijke natuurwetten. 
 Ze wordt dagelijks bewezen door talloze toepassingen. 

Wat betekent dit voor de biologie die het leven bestudeert?

Het leven is een regelrechte uitzondering van deze wet.
Leven bouwt atomaire systemen orde op uit chaos. Bijvoorbeeld:

  • Een bevruchte eicel ontwikkelt zich tot een compleet organisme met miljarden gespecialiseerde cellen, allemaal perfect gecoördineerd.
  • Binnen cellen ontstaan moleculaire machines, transportbanden en herstelmechanismen die een ongelooflijke mate van orde en functionaliteit in stand houden.

Er is dus een algemeen aanvaarde fysische tegenstelling tussen dode en levende wezens.

Deze tegenstelling is zo duidelijk voor biologen dat ze zelfs het lef hebben om de definitie van het leven hieraan te linken:

Onur Ece (verbonden is aan de Faculteit Farmacie en Biotechnologie van Bologna) introduceert een algemene wet: een systeem is alleen levend als het een positieve entropieweerstand behoudt. In het kwantumregime wordt dit in een formule gegoten als Rq (t) =−d/dt Tr[ρ(t) ln ρ(t)] >0, waarbij ρ(t) de dichtheidsmatrix van het systeem is en de spoorwaarde de von Neumann-entropie oplevert. De voorgestelde voorwaarde is substraat-onafhankelijk, operationeel meetbaar en falsifieerbaar. Deze formulering biedt een verenigend thermodynamisch criterium voor terrestrische biologie, synthetische organismen, coherente kwantumtoestanden en potentiële buitenaardse systemen – zonder een beroep te doen op replicatie, metabolisme of evolutie.
Bron: https://ideas.repec.org/p/osf/osfxxx/r9826_v5.html 

Hier rijst een werkelijk wetenschappelijk probleem: Als het leven ingaat tegen de natuurwetten, dan is er een kracht aan het werk die de natuurwetten overstijgt. We kunnen dan spreken van een bovennatuurlijke kracht die het leven in stand houdt, omdat deze kracht de natuurwetten gewoon negeert!

Wat gebeurt er in werkelijkheid?

Energie opnemen om de entropie te laten dalen?

Algemeen  hebben wetenschappers vandaag de dag de neiging om de volgende uitspraak te doen:

Cellen, organismen en ecosystemen handhaven orde (lage entropie) door voortdurend energie van buitenaf op te nemen (eten, zonlicht, zuurstof).

Technisch gezien is dit onjuist: gewoon energie opnemen zou juist de entropie verhogen. Wat er wel gebeurt, is dat levende cellen activiteiten doen die de entropie verlagen: orde scheppen door moleculen te bouwen waar  energie voor nodig is.

Een tweeledige actie

Deze actie is tweeledig: het doel is structuren bouwen en dit heeft een reden: deze structuren zijn nodig voor de werking van de cel of het organisme.

Deel 1

Bovengenoemde uitspraak klopt dus gedeeltelijk: cellen of organismen nemen wel degelijk energie op.  Maar dat is om de benodigde atomen los te maken van de omgeving en die energie wordt meestal gedeeltelijk teruggewonnen door de nieuwe binding te realiseren. Maar de warmte gaat op in de omgeving. 
De entropie daalt echter door de nieuwe orde. 
Tot zover het doel van bovengenoemde actie. Nu moeten we  onze aandacht even richten op de reden dat dit gebeurde.

Deel 2

In ons artikel “De onzichtbare dirigent” hebben we een eerste poging gedaan om te verklaren hoe in de chaos van de door mekaar bewegende moleculen van het cytoplasma, de subtiele krachten verschillende processen kunnen sturen. Aangezien biologen alle processen hebben kunnen terugbrengen tot chemische reacties, moeten we op deze plaats beroep doen op toeval of op een geheimzinnige bovennatuurlijke sturing d.m.v. subtiele omgevingsvariabelen die de thermische bewegingen van het cytoplasma in de juiste richting sturen. 

Ook hiervoor is de reden tweeledig: 

Reden 1

Ten eerste gaat het in de biologie voor het grootste deel niet om toevalligheden. Dit zien we meer dan duidelijk in de berekening van de kans om de epigenetische  markeringen tijdens de groei van een foetus, negen maanden lang, foutloos te laten verlopen  De informatie die hiervoor nodig  is, kan niet gevonden worden in de cel, het DNA of in het lichaam: het gaat om teveel data. 

Reden 2

Het tweede argument is de herkomst van de data,  gecombineerd met de te nemen beslissingen. De combinatie van deze twee factoren wijst  in de informatietheorie zonder twijfel op een bovennatuurlijke Intelligentie. 
Het aantal mogelijkheden dat nog maar enkel de epigenetische modificaties hebben, overstijgt op een astronomisch manier ons bevattingsvermogen. (Het epigenetisch info-bron-probleem V2 ) We mogen met recht spreken van Superieur Organisch Design