Οι αντιλήψεις του Schrodinger για το "Τι είναι η ζωή"

3) Τα σημαντικότερα ερωτήματα που πραγματεύτηκε ο Schrodinger στο «Τι είναι η ζωή;


Τα ερωτήματα που πραγματεύτηκε ο Schrodinger στο βιβλίο του μπορούν, σε γενικές γραμμές, να ομαδοποιηθούν σε τέσσερις θεματικές:

1. Πώς ο ζωντανός οργανισμός αντιστέκεται στην τάση προς την καταστροφή της οργάνωσής των δομικών του στοιχείων;

2. Πώς το γενετικό υλικό των οργανισμών παραμένει αμετάβλητο;

3. Πώς το γενετικό υλικό αναπαράγεται με τέτοια πιστότητα;

4. Ποια είναι η φύση της συνείδησης και της ελεύθερης βούλησης;

Παρακάτω θα συζητήσουμε μια - μια τις θεματικές αυτές.

 

3.1) Η διατήρηση της οργάνωσής των δομικών στοιχείων των ζωντανών οργανισμών

δομικά στοιχεία ζωντανών οργανισμών

Το πρώτο ζήτημα που θέτει ο Schrodinger μπορεί να αποσαφηνιστεί ως εξής:

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η τάξη στον κόσμο τείνει προς στην αταξία, με το πέρασμα του χρόνου. Η οργάνωση και η πολυπλοκότητα είναι λιγότερο πιθανές στη φύση, ενώ το τυχαίο και η απλότητα είναι πιθανότερα.

Κατά συνέπεια η ύπαρξη π.χ. μιας πρωτεϊνικής-λιπιδικής μεμβράνης είναι λιγότερο πιθανό να υπάρξει από ένα αποδιοργανωμένο μίγμα πρωτεϊνών και λιπιδίων, εφ' όσον απομονώνεται το σύστημα από άλλα συστήματα με τα οποία μπορεί να ανταλλάξει ενέργεια.

Εάν λοιπόν αυτός (η αρχή αύξησης της εντροπίας) είναι νόμος της φύσης, πώς οι οργανισμοί αντιστέκονται σε αυτόν; Το 1852 ο William Thomson (Λόρδος Kelvin) απέφυγε το πρόβλημα απλά με το να περιορίσει την ισχύ του δεύτερου νόμου στις «άψυχες» οντότητες. Είπε: «Είναι αδύνατο με τη βοήθεια άψυχων υλικών οργανωμένων δομών να παραχθεί μηχανική επίδραση σε οποιαδήποτε ποσότητα ύλης, μέσω της ψύξης της ύλης σε θερμοκρασία κάτω από αυτήν των πιο κρύων αντικειμένων που την περιβάλλουν». Ο Helmholtz διεύρυνε αυτόν τον περιορισμό οριοθετώντας τον μεταξύ της έμβιας και άβιας ύλης (αντί «έμψυχης» και άψυχης» ύλης). Μια τέτοια ιδιότητα θα ήταν όπως ο δαίμονας του Maxwell 22 που μπορούσε να ωθήσει τις διαδικασίες προς τις θερμοδυναμικά λιγότερο πιθανές κατευθύνσεις. Θα ήταν το ανάλογο με το να μπορεί π.χ. μια δεξαμενή νερού να δροσιστεί και η ενέργεια που ελευθερώθηκε κατά την ψύξη να δημιουργήσει κύματα στην επιφάνεια του υγρού.

Ωστόσο σήμερα γνωρίζουμε ότι ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος είναι καθολικός, απλά ισχύει για κλειστά συστήματα. Θα ίσχυε, δηλαδή, και για ένανζωντανό οργανισμό αν ο οργανισμός απομονωνόταν από το περιβάλλον του. Όμως οι οργανισμοί δεν ζουν σε ένα περιβάλλον που βρίσκεται σε τέλεια φυσική και χημική ισορροπία. Είναι η μη ισορροπία, η ελεύθερη ενέργεια 23 του περιβάλλοντος, που τροφοδοτεί τη ζωή. Όπως μια μηχανή ατμού κινείται και λειτουργεί επειδή ο άνθρακας και το οξυγόνο δεν είναι σε ισορροπία, έτσι και ένα ζώο ζει και κινείται επειδή οι τροφές και το οξυγόνο δεν βρίσκονται σε ισορροπία. Η ισορροπία θα συνεπαγόταν θάνατο. Η κύρια πηγή ζωής στη γη προκύπτει από το γεγονός ότι η δροσερή επιφάνεια της γης τροφοδοτείται συνεχώς από το φως του ήλιου που δεσμεύεται από τη χλωροφύλλη των φυτών. Η χλωροφύλλη αφομοιώνει το ανθρακικό οξύ 24 και το μετατρέπει σε σάκχαρα και άμυλο, ελευθερώνοντας οξυγόνο. Αυτός ο μετασχηματισμός αυξάνει την ελεύθερη ενέργεια του φυτού, δεδομένου ότι το άμυλο και το οξυγόνο έχουν μια φυσική τάση να αντιδρούν και να παράγουν ανθρακικό οξύ και νερό. Ωστόσο μια τέτοια αύξηση στην ελεύθερη ενέργεια θα ήταν αδύνατη εάν δεν υπήρχε καμία υποβάθμιση της ενέργειας στο ευρύτερο περιβάλλον. Η δυνατότητα αύξησης της ελεύθερης ενέργειας του φυτού υπάρχει λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ της επιφάνειας του ήλιου και της επιφάνειας της γης. Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί επιβιώνουν και ενεργούν χρησιμοποιώντας κάποιας μορφής «μη ισορροπία» (ή ελεύθερη ενέργεια) που υπάρχει στο περιβάλλον τους. Κάθε ζωντανό κύτταρο, δηλαδή, λειτουργεί σαν ενεργειακός μετασχηματιστής, που μειώνει την ελεύθερη ενέργεια του περιβάλλοντός του για να αυξάνει τη δική του.
Δεν υπάρχει, επομένως, κανένα πρόβλημα όσον αφορά στην λειτουργία των ζωντανών οργανισμών και το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής γιατί οι ζωντανοί οργανισμοί είναι ανοικτά συστήματα.

Ούτε η εξέλιξη των ειδών είναι ασυμβίβαστη με τον δεύτερο νόμο. Ναι μεν η εξέλιξη χαρακτηρίζεται από αυξανόμενα επίπεδα δυναμικής ενέργειας και πολυπλοκότητας στα είδη, αλλά και αυτό έχει γίνει εις βάρος του περιβάλλοντος. Κάτι άλλο που είχε φανεί πολύ παράξενο σε πολλούς φυσικούς ήταν το γεγονός ότι, από μια γενεά στην επόμενη, οι οργανισμοί εμφανίζονταν να έχουν πολυπλοκότερη δομή (έστω κι αν δεν παραβιαζόταν ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος τελικά). Αυτό όμως δεν είναι ακριβές. Γιατί η αυξημένη πολυπλοκότητα δεν ισχύει για κάθε μεμονωμένο απόγονο. Απλά, όσοι απόγονοι τύχαινε να έχουν αυξανόμενη πολυπλοκότητα λόγω ευνοϊκών μεταλλάξεων (ή ευνοϊκή αναδόμηση του DNA κατά τον επιχιασμό 25 -κάτι που συνέβαινε σπάνια), διέθεταν αυτόματα μεγαλύτερη ικανότητα επιβίωσης και αναπαραγωγής. Έτσι τα γονίδιά τους είχαν μεγαλύτερη πιθανότητα να περάσουν στις επόμενες γενιές. Επομένως ο νόμος «αυξανόμενης πολυπλοκότητας κατά την εξέλιξη» ισχύει λόγω του θανάτου ή της μειωμένης αναπαραγωγικής ικανότητας των «γονιδιακά κατώτερων» απογόνων και όχι γιατί κάθε μεμονωμένος απόγονος είναι «γονιδιακά ανώτερος» ή πολυπλοκότερος από τους προγόνους του.

Με δεδομένες αυτές τις διευκρινήσεις, νιώθει κανείς ότι είναι κρίμα που ο Schrodinger έκανε το πρόβλημα να φανεί μεγαλύτερο από ότι ήταν στην πραγματικότητα. Για να είμαστε δίκαιοι, δεν μίλησε ανοικτά για «παραβίαση του δεύτερου θερμοδυναμικού νόμου». Απλά έθεσε το θέμα σαν να συνέβαινε κάτι «περίεργο». Κάποιοι μελετητές έχουν υποθέσει ότι το έκανε σκόπιμα προκειμένου να αναδείξει μια αντίθεση μεταξύ των φυσικών και βιολογικών συστημάτων.

Έτσι, αντί να μιλήσει για την ελεύθερη ενέργεια από την οποία τροφοδοτούνται οι οργανισμοί, ο Schrodinger χρησιμοποίησε τον όρο «αρνητική εντροπία». Αφού η εντοπία είναι μέτρο της αταξίας ενός συστήματος, με τον όρο «αρνητική εντροπία» ο Schrodinger εννοούσε «το μέτρο της τάξης ενός συστήματος». Ο όρος όμως είναι μάλλον αδόκιμος γιατί η εντροπία μηδενίζεται στο απόλυτο μηδέν και είναι θετική επάνω από τους O°K. Κάτω από αυτό είναι αδύνατο να πάει, γεγονός που θα δημιουργούσε πρόβλημα σε μια σοβαρή επιστημονική χρήση του όρου. Επιπλέον η «αρνητική εντροπία» εμπεριέχεται ουσιαστικά στον ορισμό της ελεύθερης ενέργειας (ΔG=ΔH–TΔS , κάτι που βέβαια γνώριζε ο Schrodinger), οπότε αναρωτιέται κανείς αν χρειαζόταν να εισάγει τον όρο. 26

Σε κάθε περίπτωση, συνοψίζοντας τις σκέψεις μας όσον αφορά στο πρώτο ζήτημα που έθεσε ο Schrodinger, η απάντηση είναι η απλή προαναφερθείσα: Ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος ισχύει για τα κλειστά συστήματα. Οι ζωντανοί οργανισμοί είναι ανοικτά συστήματα και αντιστέκονται στην τάση προς την καταστροφή της οργάνωσής των δομικών τους στοιχείων καταναλώνοντας ελεύθερη ενέργεια από το περιβάλλον τους.

Υποσημειώσεις:

[22]: Το 1867 ο James Clerk Maxwell φαντάστηκε δύο θαλάμους, τον Α και τον Β, κάθε ένας από τους οποίους θα ήταν γεμάτος με αέριο στην ίδια θερμοκρασία. Μεταξύ τους θα υπήρχε μία πόρτα. Ως θυρωρό στην πόρτα αυτή φαντάστηκε ένα δαίμονα, που χωρίς να παράγει έργο, θα επέτρεπε στα γρηγορότερα κινούμενα σωματίδια να περάσουν από τον Α στον Β θάλαμο και στα πιο αργά να περάσουν από τον Β στον Α. Μετά από κάποιο χρονικά διάστημα, η ταχύτητα των σωματιδίων (και επομένως η θερμοκρασία) θα έχει αυξηθεί στο θάλαμο Β.

[23]: Ελεύθερη Ενέργεια ενός συστήματος ονομάζεται το ποσό της ολικής ενέργειάς του που είναι διαθέσιμο για παραγωγή ωφέλιμου έργου μέσω διεργασιών (πχ στα χημικά συστήματα μέσω φυσικοχημικών διεργασιών): ΔG = ΔH – TΔS
Η εξίσωση ορισμού μας πληροφορεί ότι ολόκληρη η ενέργεια ενός συστήματος δεν μπορεί να μετατραπεί σε ωφέλιμο έργο επειδή ένα μέρος της πάντα δαπανάται σε μεταβολές εντροπίας

[24]: Ασταθές οξύ με χημικό τύπο H2CO3. Βρίσκεται μόνο σε διαλύματα και ανθρακικά άλατα. Διασπάται εύκολα και δίνει διοξείδιο του άνθρακα και νερό.

[25]: Σε κάποιο στάδιο της πρόφασης της πρώτης μειωτικής διαίρεσης τα ομόλογα χρωμοσώματα πλησιάζουν και τοποθετούνται αντικριστά. Στοιχίζονται έτσι ώστε οι αντίστοιχοι γονιδιακοί τόποι (δηλ. οι θέσεις στις οποίες εδράζονται τα γονίδια που ελέγχουν το ίδιο γνώρισμα) να είναι ο ένας απέναντι στον άλλο. Ορισμένες φορές είναι δυνατό οι μη αδελφές χρωματίδες των ομόλογων χρωμοσωμάτων, να «μπερδευτούν» μεταξύ τους. Έτσι δημιουργούνται τα χαρακτηριστικά χιάσματα, στα οποία οι χρωματίδες κόβονται και επανασυγκολλώνται, αφού όμως έχουν ανταλλάξει μεταξύ τους ομόλογα χρωμοσωμικά τμήματα. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται επιχιασμός και δίνει τη δυνατότητα στα ομόλογα χρωμοσώματα να ανταλλάξουν μεταξύ τους γονίδια. Αυτό εξασφαλίζει γενετική ποικιλότητα στους οργανισμούς που αναπαράγονται με αμφιγονία.

[26]: Οφείλω να σημειώσω ότι ο ίδιος ο Schrodinger προσέθεσε αργότερα μια σχετική σημείωση στο βιβλίο του, στην οποία λέει μεταξύ άλλων: «Τα σχόλια πάνω στην αρνητική εντροπία έχουν αντιμετωπιστεί με αμφιβολία και αντιρρήσεις από συναδέλφους φυσικούς. Επιτρέψτε μου να πω πρώτα ότι αν φρόντιζα μόνο γι' αυτούς, θα είχα αφήσει την ανάλυση να στραφεί προς την ελεύθερη ενέργεια.» (σ.105). Εξηγεί παρακάτω ότι φοβόταν πως ο όρος «ελεύθερη ενέργεια» δε θα γινόταν κατανοητός από τον μη ειδικό. Ότι θα εκλαμβανόταν ως ένα είδος ενέργειας με το διακοσμητικό επίθετο «ελεύθερη».

  Δείτε τη συνέχεια: επόμενο
Ή μεταβείτε στην ενότητα:
Σφάλμα. Ο περιηγητής σας θα έπρεπε να δείχνει περιεχόμενο flash. Για να το δείτε παρακαλούμε εγκαταστείστε / ενεργοποιήστε το flash player.

Get Adobe Flash player

1 Εισαγωγή.
2 Οι αντιλήψεις του Schrodinger για τη ζωή σε σχέση με άλλους διακεκριμένους φυσικούς
3.1 Η διατήρηση της οργάνωσής των δομικών στοιχείων των ζωντανών οργανισμών
3.2 Η Σταθερότητα του γενετικού υλικού.
3.3 Αντιγραφή γονιδίων
3.4 Η φύση της συνείδησης και της ελεύθερης βούλησης
4 Οι αντιλήψεις του Schrodinger για το «Τι είναι η ζωή;»: Απολογισμός