-"The dissipative structures that are needed for life can be developed from scratch with no previous information needed,by using Eigen's hypercycles to set in motion the evolution of species and the survival of the fittest at an extraordinary simple chemical level." A.Delsemme : "Our cosmic origins."
-"Life essentially relies on dissipative structures (open systems) or on non-linear dynamics." A.Delsemme : op.cit.
-"The second law of thermodynamics is not violated,it is simply held at bay (=prevented to happening) by life on earth which uses the continuous flow of solar energy to maintain a biosphere of high internal order at least for a period of time that life exists on earth." C.P.Hickman,L.S.Roberts,A.Larson : "Integrated principles of zoology."
-"The complex systems best able to adapt are those poised (zwevend) on the border between chaos and disorder." Stuart kaufman : "The adjacent possible."
-"You cannot do a work cycle at equilibrium ,meaning that the concept of an autonomous agent is inherently a non-equilibrium concept." Stuart Kaufman : op.cit.
-"The biosphere is one of the most complex things in the universe ,necessitating a theory of organization that describes what a biosphere is busy doing,how it is organized,how work is propagated,how constraints are built and how new sources of free energy are detected." Stuart Kaufman : op.cit.
-"My tentative definition of a living thing is that it is self-reproducing and does at least one thermodynamic cycle." Stuart Kaufman :op.cit. ------------------------------------------------------------------------------------------------------
Ilya Prigogine.
-"I still remember the spell (betovering) "L'évolution créatrice" cast on me .More specially ,I felt that some essential message was embedded ,still not made explicit,in Bergson's remark."
-"The more deeply we study the nature of time, the better we understand that duration means invention,creation of forms,continuous elaboration of the absolutely new."
About the arrow of time. -"The fact that it appeared to me that living things provided us with striking examples of systems which were highly organized and where irreversible phenomena played an essential role.Finally we reached the notion of "dissipative structures"."
-"The introduction of the concept of dissipative structures was also to have other unexpected consequences .It was evident from start that the structures were evolving out of fluctuations.They appeared in fact as giant fluctuations ,stabilized through matter and energy exchanges with the outer world." -------------------------------------------------------------------------------------------------- Nobelprijs voordracht van Ilya Prigogine:1977. Commentaar van S.Claesson. -"Prigogine studied systems which follow non-linear kinetic laws and which ,moreover,are in contact with their surroundings so that energy exchange can take place -open sysems in other words.If these systems are driven far from equilibrium , a completely different situation results.New systems can be formed which display order in both time and space and which are stable to perturbations. Prigogine has called these systems "dissipative systems",because they are formed and maintained by the dissipative processes which take place because of an exchange in energy between the system and its environment and because they disappear if that exchange ceases.They may be said to live in symbiosis with the environment.Prigogine's researches into irreversible thermodynamics have fundamentally transformed and revitalized the science." --------------------------------------------------------------------------------------------------
1-INLEIDING. In de vorige paragrafen (Biologie paragrafen 1 tot 6)werd genoeg aangetoond dat de basis van de levende organismen op aarde ligt in de chemische transformaties en in de organisatie van de levende cellen.Het is dan ook terecht dat wetenschappers hierop het accent hebben gelegd en is daarom de herhaling van sommige standpunten hier op zijn plaats:
-"No vital forces,only chemical bonds underlie life." Linus Pauling.
-"Life is very much constrained by its early chemistry ,which was itself ruled by deterministic factors." Christian de Duve.
-"De chemie heeft van stof leven gemaakt,eerst was er fysica,de energie.Vervolgens ontstond de materie :de atomen,de chemische elementen,die met elkaar begonnen te interageren tot ze uiteindelijk leven creërden." Jean-Marie Lehn.
-"De bouwstenen van het leven zijn chemische stoffen die in specifieke chemische processen interageren." Leo Apostel.
Vertrekkend van deze standpunten is het logisch dat men voor de bespreking van het ontstaan van de levende cel zich richt tot essentiële aspecten van de chemische transformaties.Hierbij is de thermodynamica van doorslaggevende betekenis .De thermodynamica is de studie van de relaties tussen warmte,werk en energie.Alhoewel de grondslagen ervan in de fysica te vinden zijn,is het duidelijk dat de thermodynamica toepasselijk is in de chemie en in de biologie.In zekere zin kan de levende cel beschreven worden als een systeem waarin een doorlopend thermodynamisch cyclus van transformaties tussen warmte en energie plaats vindt.In de meeste gevallen is de rol van de thermodynamica gericht tot gesloten systemen die naar een evenwicht streven.Om het aspect "levende cel/thermodynamica" aan te vatten moet men wel een stap verder gaan en een levend organisme beschouwen als een "open systeem";daarvoor moet men beroep doen op de thermodynamica van de niet-evenwicht toestanden en op de theorie van de dissipatieve structuren.
2-BASISBEGRIPPEN.
In deze paragraaf van EX LIBRIS/BLOG wordt een grondige analyse van de wetenschappelijke achtergrond van de thermodynamica niet nagestreefd.Het is eerder een beschrijving van een reeks topics aan de hand van geselecteerde citaten.Voor de paragraaf over thermodynamica is dit ook de ware toedracht. Om ten volle de draagwijdte van de referenties te kunnen appreciëren is wel een korte verklaring van een reeks basisbegrippen noodzakelijk.Daarna zal de bespreking veel gemakkelijker zijn.
2.1-THERMODYNAMICA.
De thermodynamica is de studie van de relaties tussen warmte ,werk en energie. Deze tak van de wetenschap is gebaseerd op drie fundamentele grondwetten waarin hier voor dit onderwerp enkel de twee eersten van belang zijn. -EERSTE WET:Deze wet is de wet van het behoud van energie die van 1840 dateert (J.R.Mayer).Voor een systeem geïsoleerd van uitwendige invloeden blijft de energie constant maar kan wel van vorm veranderen. -TWEEDE WET : Deze wet werd in 1850 geformuleerd door Rudolf Clausius en stelt dat de natuurlijke evolutie van warmte altijd gaat van een warme naar een koude bron.Ze is intiem verbonden met het begrip ENTROPIE.Volgens dit concept is de natuurlijke tendens in gesloten systemen de vernietiging van de ordening en een verspreiding of dissipatie van de energie.(De entropie is de mate van de wanorde in natuurlijke systemen).De formulering van Rudolf Clausius luidt als volgt:
-"In an isolated system,a process can occur only if it increases the total entropy of the system."
-"The entropy of the universe tends to a maximum."
Over de diepere betekenis van het begrip Entropie is er reeds een bibliotheek geschreven.Het raakt zeer veel aspecten die niet altijd direct iets te maken hebben met de fysica en chemische transformaties.
2.2-EVENWICHT EN NIET-EVENWICHT THERMODYNAMICA.
De klassieke thermodynamica ,die voor de meeste van ons van belang is voor dagelijkse problemen ,is de thermodynamica van systemen in evenwicht of dicht bij het evenwicht (thermisch,mechanisch of chemisch).Het thermisch evenwicht is bereikt als twee systemen in thermisch contact komen waarbij geen warmte -energie uitwisseling plaats vindt.Daartegenover moet men ook rekening houden met systemen die zich ver van het evenwicht bevinden.Dit zijn "open systemen" waarin tijdsafhankelijkheid en onomkeerbare transformaties essentieel zijn.Deze systemen kunnen fluctuaties ondergaan van sommige eigenschappen en zijn in contact met de omgeving waarmee uitwisselingen kunnen plaats vinden.(o.a van energie en entropie).De thermodynamica van niet-evenwicht toestanden werd toegepast om uit te leggen hoe levende organismen (cellen) ,vertrekkend van een staat van wanorde , zich konden ontwikkelen.
2.3-ENTROPIE EN LEVEN.
Dit aspect van de thermodynamica komt hier aan bod.In de klassieke thermodynamica waren er in de 19e eeuw reeds wetenschappers die zich over deze problematiek gebogen hebben.In 1875 stelde de grote specialist van de statistische thermodynamica,Ludwig Boltzmann dat:
-"The general struggle for existence of animate beings is not a struggle for raw materials-these for organisms are air,water and soil,all abundantly available-nor for energy which exists plently in any body in the form of heat,but a struggle for entropy,which becomes available through the transition of energy from the hot sun to the cold earth."
Deze beschouwing,gekoppeld aan de hoge graad van organisatie in de levende cel,wordt gebruikt om de levende cel als een "open systeem te beschouwen ,dit is een systeem die materie en energie uitwisselt met de omgeving.Om in stand te worden gehouden moet de entropie in een "open systeem" dalen om de graad van orde te bewaren;maar om aan de tweede wet van de thermodynamica te voldoen moet dan de entropie van de omgeving stijgen en dit gebeurt door overdracht van warmte-energie vanuit de levende cel naar de omgeving.De niet-evenwicht thermodynamica werd dus toegepast om uit te leggen hoe levende organismen ,vertrekkend van wanorde ,zich kunnen ontwikkelen.De klassieke evenwicht thermodynamica toont echter aan dat systemen dicht bij het evenwicht altijd evolueren naar toestanden van wanorde die tegen perturbaties stabiel zijn en dat het optreden van geordende structuren zo niet kunnen uitgelegd worden.
Volgens de zienswijze van Boltzmann kunnen in de klassieke thermodynamica principieel plotselinge statistische perturbaties ontstaan die de entropoie voor korte tijd doen dalen.Deze perturbaties worden snel uitgevlakt en het systeem keert terug naar de evenwicht toestand.In de niet-evenwicht toestand kunnen zich wel perturbaties voordoen die kunnen blijven bestaan en naar nieuwe stabiele toestanden leiden.
Om de thermodynamica van de niet-evenwicht toestanden in "open systemen" te kunnen behandelen heeft Ilya Prigogine de theorie van de dissipatieve systemen ontworpen. Deze systemen worden gevormd en in stand gehouden door dissipatieve processen die plaats vinden omdat er een uitwisseling van energie is tussen de "open systemen" en de omgeving.Deze structuren verdwijnen als de uitwisseling ophoudt.Door deze uitwisseling ontstaat de mogelijkheid van entropie daling in de levende cel die nodig is om de ordening te bekomen.Om aan de algemene wet van het streven van het universum naar maximum entropie te voldoen is er een overdracht van warmte-energie van de cel naar de omgeving vereist die daardoor een entropie stijging ondergaat.
3-DISSIPATIEVE STRUCTUREN.
De benaming "dissipatieve structuren" werd in 1969 geîntroduceerd door Ilya Prigogine.Ver van het thermodynamisch evenwicht,dit is in systemen onderworpen aan een flux van materie en energie ,kunnen zich spontane structuraties en organisaties voordoen die "dissipatieve systemen" worden.De oorspronkelijke tweede wet van de thermodynamica die processen behandelt in entropie producerende systemen wordt doorgaans geassocieerd met de onomkeerbare evolutie van een systeem naar een evenwicht toestand ,gekenmerkt door een toestand van maximale wanorde waarbij de totale vrije energie van het systeem gedegradeerd wordt tot thermische energie.De ontdekking van de dissipatieve structuren betekent dat de onomkeerbaarheid ver van het evenwicht een opbouwende rol kan spelen en een bron van ordening worden.De tweede wet van de thermodynamica veroordeelt elke kleine fluctuatie in een systeem tot regressie en verdwijning tot een evenwicht toestand terug bereikt wordt.De wanorde is stabiel.Met de nieuwe visie van van Prigogine is de wanorde,ver van het evenwicht,niet noodzakelijk stabiel .De fluctuaties kunnen ,in plaats van een regressie te ondergaan,geamplifieerd worden.Het systeem volgt dan een nieuwe weg.(o.a.door bifurcaties en fluctuaties in een of andere eigenschap van het systeem zoals concentratie,temperatuur,samenstelling,druk enz...).De ontdekking van de dissipatieve structuren krijgt een betekenis die ook buiten de fysica reikt o.a. als resultaat van de moleculaire biologie -De ordening van de levende materie is volgens de thermodynamica van de evenwicht toestanden ONWAARSCHIJNLIJK.Het geheim van het leven ,van zijn ontwikkeling en organisatie eigenschappen wordt zo herleid tot DNA waar de informatie noodzakelijk voor de synthese van proteïnen geregistreerd is .Deze is verantwoordelijk voor de "ONWAARSCHINLIJKE ORDE" van de levende materie.Zij zijn het die,voor korte tijd,de fatale evolutie naar de dood en evenwicht vertragen.. -De ordening van de levende materie,ver van de evenwicht toestand is echter VOORSPELBAAR.De dissipatieve structuren zijn collectieve organisatie verschijnselen die zich afspelen in een populatie van talrijke moleculen en juist door hun groot aantal geregeerd worden.De organisatie vervat in de dissipatieve structuren is geenszins een strijd tegen de wanorde die met de dood geassimileerd wordt.De dissipatieve structuur ontstaat van en door de moleculaire wanorde;geen enkel mecanisme is noodzakelijk om die tegen de wanorde te garanderen.De stabiliteit is het globaal resultaat van de dissipatieve activiteit,in gegeven omstandigheden verbonden met de flux die deze activiteit voedt.Er werden reeds talrijke voorbeelden van dergelijke structuren beschreven.In dit kader kan men ook de werken van Manfred Eigen vermelden in verband met sommige aspecten verbonden met de oorsprong van het genetische code die men kan kenmerken als een associatie van polymeren voorzien van katalytische en autokatalytische eigenschappen en stabiel versus fouten in het kopiëren van de sekwenties waaruit ze bestaan.
(Vrije vertaling van Encyclopedia Universalis 13,2007:"Structure dissipative", Isabelle Stengers, Ref.:Ilya Prigogine et I.Stengers,"La nouvelle Alliance".1979). ----------------------------------------------------------------------------------------------------
P.S.De theorie van de dissipatieve structuren biedt een mogelijkheid voor het ontstaan van de levende cel.Het is een uitweg uit de paradox: determinisme (C.de Duve) versus toeval (J.Monod).Via de visie van Manfred Eigen is het voor de allereerste faze van de ontwikkeling van leven aanneembaar.Voor de latere fazen in de evolutie speelt deze theorie van de dissipatieve structuren waarschijnlijk ook een belangrijke rol maar dit is niet zo direct evident.
