Jaká je entropie živého organismu?

Entropie je tajemná termodynamická funkce, kterou lze měřit jen nepřímo. Ještě komplikovanější je problém entropie živých organismů.

Kuře musí mít vyšší entropii než vejce, protože přeměna žloutku a bílku probíhá za vhodných podmínek samovolně a je ireverzibilní. Podle stejného argumentu by mělo mrtvé kuře mít vyšší entropii než živé.

Živá hmota tedy nemá maximálně možnou entropii, ale asi má optimální entropii, což znamená, že entropie nesmí být nejvyšší možná. Teplokrevný organismus se brání podchlazení, které snižuje teplotu a tedy i entropii. Stejně se brání přehřátí, které zvyšuje jeho teplotu a tedy i entropii. Organismus se udržuje ve stavu dynamické rovnováhy.

Experimentální stanovení absolutní entropie živého organismu by vyžadovalo, abychom měřili specifické teplo od 0 °K k teplotě živého těla, nebo opačně, abychom měřili specifické teplo při ochlazování.

Protože při tom dojde v obou případech u vyšších organizmů k ireverzibilním fázovým přeměnám, živý organismus se přemění v neživý, nejsme schopni takové stanovení realizovat.

To nám však nebrání provést myšlenkový pokus, kdy se budeme zabývat pravděpodobným průběhem měření v okolí normální teploty organismu.

Jako základ vezmeme změnu entropie neživého těla, která podle definice bude úměrná změně tepla Q kJSn = +kJQn/T. Změnu tepla můžeme v úzkém intervalu teplot považovat za úměrnou změně teploty J Qn = CnT.

Konstantou úměrnosti je specifické teplo Cn, které považujeme aproximativně za konstantu. Mrtvé tělo můžeme snadno ochlazovat a v určité míře i zahřívat, pokud nebude docházet k rozkladným procesům. To nám dá základ pro porovnání.

Živé tělo se brání přehřátí pocením, což lze přirovnat k fázové přeměně kapaliny v páru odpařováním, případně pevné látky v páry sublimací. Opačně se tělo brání podchlazení zvýšenou činností (husí kůže, svalový třes). To odpovídá opět změně fáze neživé hmoty, buď kondenzaci par nebo tuhnutí kapaliny.

U neživé hmoty se při velmi vysokých teplotách objevují nové mechanismy. Plyny ionizují, srážky nebo fotony odštěpují elektrony či celé radikály a molekuly se transformují na elementární částice. Ani ty nejsou konečným stavem, při extrémně vysokých teplotách nejsou stálé ani elementární částice a objevují se kvarky. U neživé hmoty jsou tyto částice jsou odlišné od rodičovských částic.

Analogii těchto mechanismů najdeme u živých organismů. Začneme u jednobuněčných organismů.

V systému obsahujícím buňku zelené řasy, vody, kysličníku uhličitého a ostatních nezbytných živných látek uzavřeném v transparentní nádobě dochází k absorbci sluneční energie. Tedy entropie systému musí růst i když teplota systému neroste. Chlorofyl transformuje kysličník uhličitý na molekuly kyslíku a organické sloučeniny. Entropie těchto sloučenin a molekul kyslíku je vyšší než fotoreakcí. Alespoň v případě, kdy vzniklé sloučeniny by zůstaly mimo buňku, jako v případě fotosyntézy in vitro. Sloučeniny mohou shořet a jejich energie se přemění v teplo.

Pokud řasa metabolizuje nové sloučeniny, je větší a váží více než při zahájení reakce. Uvolněný kyslík má sám nižší entropii, celé zvýšení entropie soustavy musí absorbovat buňka. Část zvýšení lze přičíst jejímu zvětšení, přes to musíme připustit, že entropie buňky roste, což by vedlo k její smrti, pokud by se nenašel nějaký mechanismus, jak by buňka mohla snížit svou nebezpečně vysokou entropii.

Podobně jako neživé částice, buňky snižují svou entropii štěpením. Na rozdíl od neživé hmoty toto štěpení má jinou vlastnost, která je charakteristická pro život.

Živý organismus se reprodukuje. Buď se buňka štěpí na dvě, nebo u vyšších organismů produkuje semena či vajíčka.

Pokud měla buňka na počátku entropii 1 a její hodnota se postupně zvýšila na 1.99, po rozdělení mají dvě buňky entropii 2x1 = 2. To umožňuje, aby při tomto procesu, který probíhá v systému spontánně, entropie mohla růst.

Toto vysvětlení nevyžaduje žádné specifické vlastnosti živých organismů, které by nebyly skutečně pozorovány. Diploidní chromosomy se štěpí na diploidní páry a každá nová buňka získá vlastní soubor. U molekul se objevují nestejné části. Reprodukce je tedy nutnou podmínkou pro udržení života.

Další evoluce tento proces vylepšovala. Haploidní vajíčko získává druhý soubor ze sperma nebo pylu.

Occamova čepelka svědčí proti negativní entropii jako novému a zbytečnému konceptu.

Živé organismy mají vyšší entropii než neživá hmota. Proti nadměrnému růstu entropie se brání tím, že se zvětšují, dělí a reprodukují. Pokud tyto mechanismy selhávají, pak organismus hyne a rozpadá se.