Πώς η θερμοδυναμική επιδρά στην ύπαρξη της ζωής

Η επιστήμη που μελετά την αλληλεπίδραση της ύλης με τη θερμότητα ονομάζεται θερμοδυναμική. Και η βασική πρόβλεψή της δόθηκε από τον Αυστριακό φυσικό του δέκατου ένατου αιώνα Λούντβιχ Μπόλτζμαν, ο οποίος δεν δίστασε να αντιμετωπίσει τα υλικά σώματα σαν μια πολύ μεγάλη συλλογή από τυχαία συγκρουόμενες μπάλες μπιλιάρδου, οι οποίες υπάκουαν στους νόμους της νευτώνειας μηχανικής.

Φανταστείτε την επιφάνεια ενός τραπεζιού για αμερικάνικο μπιλιάρδο χωρισμένη στα δύο από ένα κινούμενο πέτασμα. Όλες οι μπάλες, μαζί και η λευκή, βρίσκονται αριστερά του πετάσματος, διατεταγμένες έτσι ώστε να σχηματίζουν τρίγωνο. Φανταστείτε τώρα ότι με τη λευκή μπάλα χτυπάτε πολύ δυνατά το τρίγωνο με τις μπάλες με αποτέλεσμα οι πρώτες από αυτές ν’ αρχίσουν να κινούνται τυχαία προς όλες τις κατευθύνσεις, συγκρουόμενες μεταξύ τους αλλά και με τα άκαμπτα τείχη του τραπεζιού, καθώς και με το κινούμενο πέτασμα. Σκοπός σας είναι να εξετάσετε τι θα συμβεί στο πέτασμα: θα δεχτεί τη δύναμη πολλών συγκρούσεων από τα αριστερά, όπου βρίσκονται όλες οι μπάλες, χωρίς όμως να δεχτεί καμία σύγκρουση από την άδεια δεξιά πλευρά τον τραπεζιού. Μολονότι κάθε μπάλα κινείται εντελώς τυχαία, το πέτασμα, που η κίνησή του προκαλείται από όλες τις τυχαία κινούμενες μπάλες, θα δεχτεί συνολικά μια δύναμη η οποία θα το ωθήσει προς τα δεξιά. ‘Έτσι θα μεγαλώσει το εμβαδόν του αριστερού μέρους του τραπεζιού, ενώ παράλληλα θα μειωθεί η δεξιά άδεια περιοχή. Θα μπορούσαμε να αξιοποιήσουμε περαιτέρω το τραπέζι με σκοπό την παραγωγή έργου, αν κατασκευάζαμε μια συσκευή με μοχλούς και τροχαλίες η οποία θα αξιοποιεί την προς τα δεξιά κίνηση του πετάσματος για να σπρώξει, λόγου χάρη, ένα τρενάκι πάνω σε έναν λόφο.

Αυτός, συνειδητοποίησε ο Μπόλτζμαν, είναι ουσιαστικά ο τρόπος με τον οποίο οι θερμικές μηχανές κινούν τα ατμοκίνητα τρένα στις λοφοπλαγιές – μην ξεχνάτε, βρισκόμασταν στην εποχή τον ατμού. Τα μόρια του νερού μέσα στον κύλινδρο της ατμομηχανής συμπεριφέρονται σαν τις μπάλες του μπιλιάρδου μετά την πρόσκρουση της λευκής μπάλας επάνω τους: η τυχαία κίνησή τους επιταχύνεται καθώς δέχονται τη θερμότητα από τον καυστήρα με αποτέλεσμα να συγκρούονται ολοένα πιο δυνατά το ένα πάνω στο άλλο και τέλος να χτυπούν πάνω στο πιστόνι τον κινητήρα ωθώντας το προς τα έξω. Η έξοδός του αναγκάζει σε κίνηση τα έμβολα, τα γρανάζια, τις αλυσίδες και τους τροχούς τον ατμοκίνητου τρένου, προκαλώντας τελικά μια προσανατολισμένη κίνηση. Έναν και πλέον αιώνα μετά τον Μπόλτζμαν, το δικό σας αυτοκίνητο κινείται με βάση τις ίδιες ακριβώς αρχές, με τη μόνη διαφορά ότι ο ατμός έχει αντικατασταθεί από τα προϊόντα της καύσης της βενζίνης ή του πετρελαίου.

Να σημειωθεί εδώ πως η θερμοδυναμική δεν κρύβει τελικά κάτι περισσότερο απ’ όσα προαναφέραμε. Η εύτακτη κίνηση κάθε θερμικής μηχανής οφείλεται στην αξιοποίηση της μέσης κίνησης τρισεκατομμυρίων τυχαία κινούμενων ατόμων και μορίων. Εκτός αυτού, η επιστήμη είναι εξαιρετικά γενική και δεν αφορά μόνο τις θερμικές μηχανές, αλλά σχεδόν όλες τις τυπικές χημικές αντιδράσεις που εκδηλώνονται όποτε καίμε κάρβουνο στον αέρα, αφήνουμε ένα σιδερένιο καρφί να σκουριάσει, μαγειρεύουμε το φαγητό μας, κατασκευάζουμε ατσάλι, διαλύουμε αλάτι σε νερό, βράζουμε το φαγητό μας σε μια κατσαρόλα ή στέλνουμε έναν πύραυλο στο διάστημα. Σε όλες αυτές τις χημικές διαδικασίες συντελείται ανταλλαγή ενέργειας και, σε μοριακό επίπεδο, όλες διέπονται από θερμοδυναμικές αρχές οι οποίες βασίζονται στην τυχαία κίνηση. Στην πραγματικότητα, σχεδόν όλες οι μη βιολογικές (φυσικές και χημικές) διαδικασίες που προκαλούν αλλαγές στον κόσμο μας διέπονται από θερμοδυναμικές αρχές. Τα ρεύματα στους ωκεανούς, οι ταραχώδεις θύελλες, η διάβρωση των πετρωμάτων, οι πυρκαγιές στα δάση και η οξείδωση των μετάλλων ελέγχονται από τις αδιάλλακτες δυνάμεις του χάους που κρύβεται πίσω από τη θερμοδυναμική. Κάθε περίπλοκη διαδικασία μπορεί να μας φαίνεται δομημένη και εύτακτη, αλλά στον πυρήνα της προκαλείται από τυχαίες μοριακές κινήσεις.

Η ζωή τιθασεύει το Xάος

Άραγε, ισχύουν τα ίδια και για τη ζωή; Ας επιστρέψουμε στο τραπέζι του μπιλιάρδου, συγκεκριμένα στην αρχή της παρτίδας, όταν οι μπάλες σχημάτιζαν ένα τριγωνάκι. Αυτή τη φορά, πετάμε στο τραπέζι πολλές ακόμη μπάλες (το τραπέζι είναι πολύ μεγάλο) και φροντίζουμε να προσκρούσουν με δύναμη πάνω στις ακίνητες. Κι εδώ, η τυχαία κίνηση του διαχωριστικού πετάσματος που θα προκαλέσουν οι συγκρούσεις θα αξιοποιηθεί για να παραχθεί ωφέλιμο έργο. Τώρα, όμως, αντί ν’ ανεβάσουμε απλώς ένα τρενάκι σε μια ανηφόρα, θα κατασκευάσουμε μια πιο έξυπνη συσκευή. Η μηχανή μας, τροφοδοτούμενη από τις χαοτικές συγκρούσεις θα εκτελεί μια ξεχωριστή εργασία: θα διατηρεί, εν μέσω χάους, ανεπηρέαστο το αρχικό τρίγωνο με τις ακίνητες μπάλες. Όταν μια κινούμενη μπάλα πέφτει πάνω σε μια ακίνητη μπάλα τον τριγωνικού σχηματισμού, μια συσκευή θα ανιχνεύει την πρόσκρουση και κινώντας έναν μηχανικό βραχίονα, θα αντικαθιστά την μπάλα που βγήκε από το τρίγωνο με μια πανομοιότυπη από τις μπάλες που κινούνται τυχαία.

Ελπίζουμε ότι αντιλαμβάνεστε πως το σύστημα χρησιμοποιεί τώρα μέρος της ενέργειας όλων αυτών των τυχαίων μοριακών συγκρούσεων για να διατηρήσει σε μια εξαιρετικά εύτακτη κατάσταση ένα μέρος του εαυτού του. Στη θερμοδυναμική, για να δηλώσουμε την έλλειψη τάξης χρησιμοποιούμε τον όρο εντροπία – γι’ αυτό λέμε ότι οι άκρως εύτακτες καταστάσεις έχουν χαμηλή εντροπία. Μπορούμε, επομένως, να πούμε ότι το τραπέζι του μπιλιάρδου αντλεί ενέργεια από (χαοτικές) συγκρούσεις υψηλής εντροπίας για να διατηρήσει μέρος του εαυτού του σε μια (εύτακτη) κατάσταση χαμηλής εντροπίας.

Προς το παρόν, μη σας απασχολεί το πώς θα μπορούσαμε να κατασκευάσουμε μια τόσο περίπλοκη μηχανή: η ουσία είναι ότι το τραπέζι του μπιλιάρδου που τροφοδοτείται από εντροπία εκτελεί μια πολύ ενδιαφέρουσα εργασία. Τροφοδοτούμενο μόνο από τη χαοτική κίνηση κάθε μπάλας, το σύστημά μας, το οποίο αποτελείται από τις μπάλες, το τραπέζι, το πέτασμα, τη συσκευή ανίχνευσης και τον κινητό βραχίονα, καταφέρνει να διατηρήσει την τάξη σε ένα υποσύστημά του.

Ας περάσουμε τώρα σε ένα άλλο επίπεδο ανάλυσης: αυτή τη φορά, μέρος της διαθέσιμης ενέργειας του κινούμενου πετάσματος -θα μπορούσαμε να την ονομάσουμε ελεύθερη ενέργεια του συστήματος- χρησιμοποιείται για την κατασκευή και τη συντήρηση της συσκευής ανίχνευσης και του κινητού βραχίονα, ακόμη και για να χρησιμοποιήσουμε πολλές μπάλες ως πρώτη ύλη προκειμένου να κατασκευάσουμε αυτές τις συσκευές. Ολόκληρο το σύστημά μας τώρα αυτοσυντηρούμενο και θα μπορούσε κατ’ αρχήν να αυτοσυντηρηθεί επ’ αόριστον, αρκεί να τροφοδοτείται διαρκώς με πολλές τυχαία κινούμενες μπάλες και αρκετό χώρο για να κινείται το πέτασμα.

Επιπλέον, πέρα από την αυτοσυντήρηση, το συγκεκριμένο σύστημα θα επιτύχει ένα ακόμα εκπληκτικό κατόρθωμα: θα χρησιμοποιεί τη διαθέσιμη ελεύθερη ενέργεια για να ανιχνεύει, να πιάνει και να διατάσσει τις μπάλες τον μπιλιάρδου, ώστε να φτιάχνει αντίγραφα του εαυτού του: το τραπέζι, το πέτασμα, τη συσκευή ανίχνευσης μπάλας, τον κινητό βραχίονα καθώς και το τρίγωνο με τις μπάλες. Τα αντίγραφα θα μπορούν, επίσης, να ελέγχουν τις δικές τους μπάλες και τη διαθέσιμη ελεύθερη ενέργεια των συγκρούσεών τούς για να φτιάχνουν ακόμη περισσότερες αυτοσυντηρούμενες συσκευές. Και αυτά τα αντίγραφα, με τη σειρά τούς…

Θαρρώ πως έχετε καταλάβει πια πού το πάμε. Η φανταστική συσκευή μας, τον τύπου «φτιάξ’ το μόνος σου», είναι ένα ισοδύναμο της ζωής το οποίο τροφοδοτείται από μπάλες μπιλιάρδου. Όμοια με ένα πτηνό, ένα ψάρι ή έναν άνθρωπο, η φανταστική συσκευή είναι ικανή να συντηρεί και να αναπαράγει τον εαυτό της αξιοποιώντας την ελεύθερη ενέργεια των τυχαίων μοριακών συγκρούσεων. Και μολονότι το έργο φαντάζει περίπλοκο και δύσκολο, η κινητήρια δύναμη είναι ακριβώς ίδια μ’ εκείνη που ανεβάζει τα ατμοκίνητα τρένα στις ανηφόρες. Στη ζωή, οι μπάλες του μπιλιάρδου αντικαθίστανται από μόρια τα οποία παρέχει η τροφή και, μολονότι η διαδικασία είναι μακράν πιο πολύπλοκη από αυτή που περιγράψαμε στο απλό παράδειγμά μας, η αρχή παραμένει ίδια: ελεύθερη ενέργεια που προέρχεται από τυχαίες μοριακές κινήσεις (και τις να συντηρείται χημικές αντιδράσεις τους) αξιοποιείται προκειμένου ένα σώμα και να δημιουργεί αντίγραφα του εαυτού του.

Είναι λοιπόν η ζωή απλώς ένα παρακλάδι της θερμοδυναμικής; Καταφέρνουμε ν’ ανηφορίζουμε λοφοπλαγιές απλώς αξιοποιώντας τις ίδιες διαδικασίες που ανεβάζουν τα τρένα στις ανηφόρες; Και η πτήση τον κοκκινολαίμη δεν διαφέρει άραγε από εκείνη μιας οβίδας; Σε τελική ανάλυση, είναι η ζωτική σπίθα της ζωής μια τυχαία μοριακή κίνηση; Για να απαντήσουμε στο ερώτημα, πρέπει να ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στη λεπτή δομή των ζωντανών οργανισμών.

Κοιτάζοντας βαθύτερα μέσα στη ζωή

Η πρώτη σημαντική πρόοδος στην αποκάλυψη της λεπτής δομής της ζωής σημειώθηκε από τον «φυσικό φιλόσοφο» του δέκατου έβδομού αιώνα Ρόμπερτ Χουκ, ο οποίος, χρησιμοποιώντας το υποτυπώδες μικροσκόπιό του είδε σε λεπτές φέτες φελλού δομές τις οποίες ονόμασε «κύτταρα», αλλά και από τον Ολλανδό μικροσκόπο Άντον φαν Λέβενχουκ, ο οποίος διέκρινε τους λεγόμενους «μικροοργανισμούς» (animalcules) —αυτούς που σήμερα ονομάζουμε μονοκύτταρούς οργανισμούς— σε σταγόνες νερού από μια λίμνη. Παρατήρησε, επίσης, φυτικά κύτταρα, ερυθρά αιμοσφαίρια, ακόμη και σπερματοζωάρια. Αργότερα έγινε σαφές ότι οι ιστοί όλων των ζωντανών οργανισμών αποτελούνταν από αυτές τις κυτταρικές μονάδες, τους δομικούς λίθους των έμβιων οργανισμών.

Όσο περισσότερες λεπτομέρειες μας αποκάλυπταν τα ισχυρότερα μικροσκόπια, τόσο πιο περίπλοκη εμφανιζόταν η εσωτερική δομή των έμβιων κυττάρων: γνωρίζουμε πια ότι το καθένα φέρει στο κέντρο του έναν πυρήνα, μέσα στον οποίο συναντάμε τα χρωμοσώματα. Ο πυρήνας περιβάλλεται από το κυτταρόπλασμα στο οποίο είναι εμβαπτισμένες εξειδικευμένες υπομονάδες, τα λεγόμενα οργανίδια, τα οποία, όπως και τα όργανα τον σώματός μας, εκτελούν συγκεκριμένες λειτουργίες στο εσωτερικό τον κυττάρου. Για παράδειγμα, τα οργανίδια που ονομάζονται μιτοχόνδρια διεκπεραιώνουν την αναπνοή στο εσωτερικό των ανθρώπινων κυττάρων, ενώ οι χλωροπλάστες ευθύνονται για τη φωτοσύνθεση μέσα στα φυτικά κύτταρα. Συνολικά, το κύτταρο δίνει την εντύπωση ενός πολυάσχολου μικροσκοπικού εργοστασίου. Πώς, όμως, καταφέρνει να λειτουργεί ακατάπαυστα; Τι είναι αυτό που του δίνει ζωή; Αρχικά, πίστευαν ότι το τροφοδοτούσαν «ζωτικές» δυνάμεις, ουσιαστικά ισοδύναμες με την έννοια της ψυχής του Αριστοτέλη. Κατά το μεγαλύτερο μέρος του δέκατου ένατου αιώνα, η πίστη στον βιταλισμό -ότι οι ζωντανοί οργανισμοί ζωοποιούνται από μια δύναμη η οποία απουσιάζει από την άβια ύλη- παρέμενε ισχυρή. Πίστευαν ότι στα κύτταρα υπήρχε μια μυστηριώδης ζωντανή ουσία, το πρωτόπλασμα, το οποίο περιέγραφαν με σχεδόν μυστικιστικούς όρους

Ωστόσο, όλο και περισσότερο, η ύλη των ζωντανών οργανισμών φαινόταν να αποτελείται περίπου από τις ίδιες χημικές ουσίες οι οποίες αποτελούσαν τα άψυχα πράγματα, και συνεπώς να διέπεται από την ίδια χημεία.

Στα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα τα κύτταρα είχαν αποδειχθεί θύλακες βιοχημικών ουσιών τις οποίες διαχειριζόταν μια περίπλοκη χημεία, που βασιζόταν στην τυχαία μοριακή κίνηση την οποία είχε περιγράψει ο Μπόλτζμαν. Η ζωή, όπως πίστευαν σε γενικές γραμμές, ήταν πράγματι απλώς περίπλοκη θερμοδυναμική.

Με εξαίρεση μία πτυχή της — και μάλλον τη σημαντικότερη.