Μήπως η απάντηση στο «γιατί υπάρχει ζωή» κρύβεται στην εντροπία;

 

Γιατί εμφανίστηκε η ζωή στη Γη; Και, ίσως ακόμη πιο παράξενο, γιατί συνεχίζει να υπάρχει;

 Η συνηθισμένη απάντηση είναι ότι κάποτε, πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, δημιουργήθηκαν οι κατάλληλες χημικές συνθήκες, εμφανίστηκαν μόρια ικανά να αυτοαντιγράφονται και από εκεί ξεκίνησε η εξέλιξη. Αυτό όμως απαντά περισσότερο στο πώς παρά στο γιατί.

 Ίσως υπάρχει ένας άλλος τρόπος να δούμε το ερώτημα. Και αυτός περνά από έναν από τους θεμελιωδέστερους νόμους της φύσης: τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

Η ζωή μοιάζει να κάνει το αντίθετο από την εντροπία

Ο δεύτερος νόμος μάς λέει, σε πολύ απλοποιημένη μορφή, ότι σε ένα κλειστό σύστημα η εντροπία (η αταξία) τείνει να αυξάνεται. Τα πράγματα τείνουν προς την εξίσωση των διαφορών και τη θερμοδυναμική ισορροπία.

 Κι όμως, η ζωή φαίνεται εκ πρώτης όψεως να κάνει ακριβώς το αντίθετο:

• Ένα κύτταρο οργανώνει ύλη.

 

• Ένα δέντρο παίρνει νερό, διοξείδιο του άνθρακα και ανόργανα συστατικά και κατασκευάζει ξύλο, φύλλα, ρίζες, καρπούς — έναν ολόκληρο πολύπλοκο οργανισμό.

 

• Ένα πρόβατο καταναλώνει χορτάρι και νερό, χρησιμοποιεί οξυγόνο και την ενέργεια που έχει προηγουμένως αποθηκεύσει το φυτό από τον Ήλιο και παράγει κάτι ασύγκριτα πιο οργανωμένο: μυϊκό ιστό, οστά, δέρμα, μαλλί, γάλα. Και το καταπληκτικότερο; Παράγει άλλο ένα πρόβατο.

Πώς λοιπόν είναι δυνατόν να συμβαίνει αυτό χωρίς να παραβιάζεται ο δεύτερος νόμος;

Η απάντηση είναι απλή: ο ζωντανός οργανισμός δεν είναι κλειστό σύστημα.

Για να δημιουργήσει αυτή την τοπική τάξη, καταναλώνει ελεύθερη ενέργεια και αποβάλλει θερμότητα και προϊόντα μεταβολισμού στο περιβάλλον. Μέσα στο πρόβατο μπορεί να δημιουργείται περισσότερη οργάνωση, αλλά στο σύστημα πρόβατο + περιβάλλον, η συνολική εντροπία αυξάνεται.

Όπως είχε σημειώσει το 1944 ο φυσικός Erwin Schrödinger στο περίφημο βιβλίο του «Τι είναι η ζωή;», οι ζωντανοί οργανισμοί καταφέρνουν να διατηρούν την εσωτερική τους δομή τρεφόμενοι, ουσιαστικά, με «αρνητική εντροπία» — εισάγουν τάξη από το περιβάλλον τους και επιστρέφουν σε αυτό θερμότητα και αταξία.

Ο μύλος γυρίζει επειδή υπάρχει διαφορά

Υπάρχει μια παλιά, σχεδόν αυτονόητη σοφία: το νερό πρέπει να πέφτει από ψηλά στα χαμηλά για να γυρίζει ο μύλος. Αν το νερό βρίσκεται παντού στο ίδιο ύψος, ο μύλος δεν γυρίζει.

Και αυτό, χωρίς να το λέμε με αυστηρούς επιστημονικούς όρους, είναι η ουσία της ελεύθερης ενέργειας. Δεν αρκεί να υπάρχει ενέργεια· πρέπει να υπάρχει διαφορά:

• Διαφορά θερμοκρασίας. 

• Διαφορά πίεσης.

• Διαφορά ηλεκτρικού ή χημικού δυναμικού. 

Όπου υπάρχει τέτοια διαφορά, μπορεί να παραχθεί έργο. Όταν η διαφορά εξαφανιστεί και όλα φτάσουν σε ισορροπία, ο «μύλος» σταματά.

Η ζωή είναι κατά κάποιον τρόπο ένας απίστευτα περίπλοκος μύλος. Ένα ζωντανό κύτταρο είναι γεμάτο μικροσκοπικές ενεργειακές διαφορές τις οποίες χρησιμοποιεί συνεχώς για να συντηρείται, να κινείται, να κατασκευάζει μόρια και να αναπαράγεται. Και όταν αυτές οι δυνατότητες παραγωγής έργου χαθούν οριστικά, έχουμε αυτό που ονομάζουμε θάνατο.

Από πού έρχεται όλη αυτή η ενέργεια;

Για το μεγαλύτερο μέρος της ζωής στη Γη, η απάντηση είναι μία: ο Ήλιος.

Ο Ήλιος στέλνει συνεχώς στη Γη ενέργεια. Τα φυτά δεσμεύουν ένα μέρος της μέσω της φωτοσύνθεσης, το χορτάρι τρώγεται από το πρόβατο, το πρόβατο από κάποιο άλλο ζώο, και τα υπολείμματα αποσυντίθενται από μικροοργανισμούς.

Μπορούμε να δούμε μια αλυσίδα:

Ήλιος → φυτό → χορτάρι → πρόβατο → μεταβολισμός → κίνηση → γάλα → αναπαραγωγή → αποσύνθεση → θερμότητα.

Η ζωή δεν σταματά τη ροή της ενέργειας. Την κάνει απίστευτα πιο περίπλοκη.

Οι αρχαίοι και ο Ήλιος

Ίσως γι' αυτό έχει ενδιαφέρον ότι τόσοι αρχαίοι πολιτισμοί έδωσαν στον Ήλιο θεϊκή υπόσταση. Έβλεπαν κάτι απολύτως πραγματικό: Ήλιος → ζέστη → εποχές → βλάστηση → τροφή → ζωή. Χωρίς να γνωρίζουν τη φυσική εξήγηση, είχαν αντιληφθεί ότι αν ο Ήλιος εξαφανιζόταν, η ζωή τους θα τελείωνε.

Όχι όμως μόνο ο Ήλιος

Υπάρχει και μια ενδιαφέρουσα εξαίρεση: στα μεγάλα βάθη των ωκεανών υπάρχουν οικοσυστήματα γύρω από υδροθερμικές πηγές που δεν στηρίζονται στο ηλιακό φως. Εκεί η ζωή αξιοποιεί χημικές και γεωθερμικές ενεργειακές διαφορές από το εσωτερικό της Γης.

Αυτό μας οδηγεί σε μια ακόμη γενικότερη διατύπωση:

Η ζωή δεν χρειάζεται υποχρεωτικά τον Ήλιο. Χρειάζεται ενεργειακές ανισορροπίες. Χρειάζεται κάπου να υπάρχει «νερό ψηλά» και κάπου «νερό χαμηλά».

Δύο πλανήτες: Μια σκέψη για τη θερμοδυναμική

Ας φανταστούμε δύο ίδιους πλανήτες που δέχονται την ίδια ηλιακή ενέργεια. Ο ένας είναι τελείως νεκρός και ο δεύτερος γεμάτος ζωή.

• Στον νεκρό πλανήτη: Ήλιος → θέρμανση → άνεμοι → εξάτμιση → θερμότητα → ακτινοβολία στο Διάστημα. 

• Στον ζωντανό πλανήτη: Η ίδια αρχική ενέργεια περνά από εκατομμύρια ενδιάμεσες διεργασίες (φυτά, ζώα, βακτήρια, τροφικές αλυσίδες, κύκλους του άνθρακα). 

Στο τέλος, και στους δύο πλανήτες η ενέργεια υποβαθμίζεται. Όμως ο ζωντανός πλανήτης έχει δημιουργήσει ένα τεράστιο δίκτυο μηχανισμών που εκμεταλλεύονται τις ενεργειακές διαφορές.

Η μεγάλη υπόθεση: Μήπως η ζωή είναι ο απόλυτος «επιταχυντής» της εντροπίας;

Εδώ γεννιέται η πραγματικά ενδιαφέρουσα υπόθεση.

Μήπως η ζωή δεν είναι ένα παράδοξο που αντιστέκεται στον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, αλλά ακριβώς το αντίθετο; Μήπως είναι μία από τις πιο εξελιγμένες μορφές με τις οποίες η ύλη αξιοποιεί τις διαθέσιμες ενεργειακές ανισορροπίες και, τελικά, συμβάλλει στην ταχύτερη αύξηση της συνολικής εντροπίας;

Αυτή η ιδέα βρίσκει ισχυρά ερείσματα στη σύγχρονη Φυσική:

1. Διασιπαστικές Δομές (Ilya Prigogine) (dissipative structures): Ο νομπελίστας φυσικοχημικός Ilya Prigogine έδειξε ότι συστήματα που βρίσκονται μακριά από τη θερμοδυναμική ισορροπία μπορούν αυθόρμητα να οργανωθούν σε περίπλοκες δομές (τις ονόμασε διασιπαστικές δομές), προκειμένου να καταναλώνουν και να διασκορπίζουν την ενέργεια πολύ πιο αποτελεσματικά. 

2. Διασκορπιστικά Επαγόμενη Αυτοοργάνωση (Jeremy England): Πιο πρόσφατα, ο φυσικός του MIT Jeremy England διατύπωσε τη θεωρία ότι όταν η ύλη εκτίθεται σε μια συνεχή πηγή ελεύθερης ενέργειας, τείνει αναπόφευκτα να αναδιοργανώνεται σε σχήματα που απορροφούν και διασκορπίζουν αυτή την ενέργεια όλο και πιο αποτελεσματικά. Υπό αυτή την έννοια, η δημιουργία δομών που μοιάζουν με τη «ζωή» δεν είναι ένα σπάνιο ατύχημα, αλλά μια φυσική τάξη πραγμάτων. 

Η εξέλιξη μοιάζει έτσι με μια αδιάκοπη εξερεύνηση νέων δρόμων μέσα από τους οποίους μπορεί να χρησιμοποιηθεί η διαθέσιμη ελεύθερη ενέργεια.

Δεν σημαίνει ότι η φύση έχει σκοπό. Ούτε ότι «κάποιος» δημιούργησε τη ζωή για να αυξήσει την εντροπία. Ο μύλος δεν γυρίζει επειδή κάποιος «θέλει» να γυρίσει· γυρίζει επειδή υπάρχει νερό ψηλά και νερό χαμηλά.

Ίσως, λοιπόν, σε κοσμική κλίμακα, η ζωή να είναι κάτι ανάλογο: ένας εξαιρετικά πολύπλοκος μύλος που εμφανίστηκε μέσα στη μεγάλη ροή της ενέργειας του Σύμπαντος.

Και η ερώτηση «γιατί υπάρχει ζωή;» μπορεί κάποτε να πάρει μια απλούστερη απάντηση απ' όσο φανταζόμασταν: Επειδή υπήρχε μια ενεργειακή διαφορά που μπορούσε να αξιοποιηθεί — και η ύλη βρήκε έναν εξαιρετικά περίπλοκο τρόπο να την αξιοποιήσει.