דברים שיורמים יודעים: למה צריך לאכול? על הקשר המוזר שבין האבולוציה לתרמודינמיקה

למה צריך לאכול? שואלת ר"ק בעקבות הסרטון הזה המספר על ג'אני פרהלד, נזיר הודי שצם במשך 75 שנות מדיטציה ומרגיש מצויין

אכילה. מתוך Jumpstory
אכילה. מתוך Jumpstory

ובכן ר"ק, לכאורה התשובה הסטנדרטית של שנתנה לנו אמא כשסירבנו לאכול צריכה להספיק: אוכלים כדי לגדול ובשביל אנרגיה. אבל מה לעשות, אפילו אמא טועה לפעמים. לא אוכלים כדי לגדול – רק חלק זעיר מעשרות הטונות של דברי מאכל ומשקה שנכניס לגוף במהלך חיינו ישארו שם. ומה באשר לאנרגיה כלומר לעבודה ולחום? ידידנו ג'אני יכול היה לתרץ שמדיטציה רצופה אינה ממש עבודה ובהודו החמה אין צורך בשריפת סנדביצ'ים כדי להתחמם.
אז למה בכל זאת אנחנו אוכלים?

היצורים החיים הם מערכות מסודרות ומתואמות להפליא והסדר הזה הוא חידה. לתרמודינמיקה, היא המדע העוסק בגלגוליה של האנרגיה שני חוקים בסיסיים. הראשון הוא שימור האנרגיה: אנרגיה לא מופיעה יש מאיין ולא נעלמת, החוק השני קובע כי האנרגיה הולכת ומתקלקלת. "קלקול" של אנרגיה פירושו שקשה יותר להפיק ממנה עבודה. כדי שנוכל להשתמש באנרגיה כדי להניע מכונית או לשדר ולקלוט מידע בטלפון צריך עולמנו להיות מסודר ומאורגן. כשם שסדר בחדר פירושו אי אחידות (כל הבגדים בארון וכל הספרים על המדף) גם בטבע מופיע הסדר כ"גרדיאנטים" כלומר כאי אחידות בצפיפות האנרגיה או החומר. משהפך העולם ל"מבולגן" כלומר כאשר האנרגיה הפכה לחום שפירושו תנועה אקראית והחום הזה מרוח באופן אחיד לא נוכל להשתמש בו עוד. החוק השני של התרמודינמיקה קובע כי בכל מערכת מבודדת חוסר הסדר או בשפה המדעית האנטרופיה חייב לגדול. מערכת מבודדת היא כזו שאינה מקבלת ואינה נותנת חומר או אנרגיה לעולם שסביבה. אם אכן הפסיק ג'אני פרהלד לאכול ולשתות הרי שגופו הפך למערכת סגורה שחייבת להתבלגן. כאשר אנחנו אוכלים אנחנו קודם כל משמידים סדר: מולקולות גדולות ומסודרות נכנסות, נשרפות ויוצאות כגז דו תחמוצת הפחמן המתפזר לכל עבר. לודויג בולצמן, אבי המכניקה הסטטיסטית קבע כבר במאה ה19 כי "מלחמת הקיום בקרב היצורים החיים אינה על חומרי הגלם, אלה הם אויר, מים ואדמה וכולם זמינים בקלות וגם לא על אנרגיה המצויה בשפע בצורת חום. המאבק הוא על אנטרופיה ההופכת זמינה במעבר שבין השמש החמה לאדמה הקרה".

החוק השני של התרמודינמיקה היה תמיד עניין מביך עבור ביולוגים שהמערכות שלהם מתעקשות להסתדר, ואפילו להתפתח עם הדורות לכיוון של יותר סדר וארגון. אפשר איכשהו לחשב ולהראות שכל יצור חי מייצר בחייו מספיק אנטרופיה לספק את דרישות החוק השני אבל למה שיצמחו בכלל מבנים מסודרים כל כך בעולם ההולך ומתבלגן. חוק גידול האנטרופיה שימש את מתנגדי האבולוציה משום שההתפתחות בעולם החי : מהפשוט אל המורכב נראית כסותרת את כיוון הזרימה הטבעי מהמסודר אל האנטרופי. כיצד יתכן שחלקיקים "יחליטו" פתאום להתנהג בצורה מתואמת והרמונית כשם שמתנהגות המולקולות בתא חי? חוקי התרמודינאמיקה כפי שנוסחו במאה ה19 כדי להבין את פעולתם של מנועי קיטור וכפי שמענים בהם סטודנטים עד היום הזה התייחסו למערכות בהן אכן נראית הביולוגיה מוזרה עד להביך. אבל כשמרחיבים את שדה העיסוק של החוק השני אל מערכות דרכם עובר שטף של אנרגיה מתברר כי מורכבות החיים אינה מוזרה כל כך. מערכת פשוטה המדגימה את העיקרון היא תא בנארד (Bénard cell) שכבה של נוזל החוצץ בין לוח חם לאוויר קר. חום עובר דרך הנוזל מהפלטה החמה שמתחתיו אל האוויר שמעליו. כשהפרש הטמפרטורות קטן מתנהגת המערכת כפי שהיינו מצפים: שכבת הנוזל התחתונה מתחממת והחום מחלחל לאיטו כלפי מעלה (מעבר חום בהולכה). אבל כשהפרשי הטמפרטורות עולים עוד מתרחשת תופעה מוזרה: נוצרים זרמים מעגליים מסודרים ויציבים: שכבות דקות של נוזל לוקחות על עצמן את העברת החום ועושות זאת ביעילות מרבית.

מתרחש מה שלכאורה לא סביר – מספר אסטרונומי של חלקיקים יוצרים בבת אחת תנועה מתואמת.

תא בנרד (Bénard): קווי זרימה מסודרים (קווים לבנים) המופיעים בתא המכיל נוזל חם (באדום) שמעליו נוזל קר. מקור: LBMethod.org/jonas, ויקימדיה

כשחום זורם מאזור חם לקר עולה האנטרופיה וככל שזורם יותר חום האנטרופיה הכללית נוסקת מהר יותר, המבנה המסודר והמתואם לא רק שאינו סותר את החוק השני אלא הוא תוצאתו: מערכת מתארגנת מעצמה כשהדבר נחוץ לשם ייצור מהיר של חוסר סדר בסביבה. האטמוספרה מספקת לנו דוגמאות נוספו למבנים מסודרים הנוצרים מעצמם כשיש "הרבה סדר" לקלקל. כשאויר חם ולח נתקל באוויר קר ויבש נוצרת לעיתים סופת טורנדו כלומר זרם מסודר להפליא של אויר שגורם לאנרגיה לזרום מהר ולבטל את הפרשי האנרגיה. באופן דומה ניתן להבין את היווצרות זרמי האוקיינוס הגדולים. החיים, על פי תיאור זה הם "טורנדו עם זיכרון" כלומר מערכת מסודרת יציבה ששטף של אנרגיה וחומר זורם דרכה באופן המעלה בצורה יעילה את האנטרופיה הכללית. שטף האנרגיה למערכות החיים מקורו בהפרש הטמפרטורות בין השמש לכדור הארץ ובינו לבין החלל. מדידות של גלגולי האנרגיה במערכות אקולוגיות שונות הראו שככל שהמערכת האקולוגית עשירה, מגוונת ו"בוגרת" (כלומר מסודרת יותר) כך יעיל יותר תהליך המעבר של שטף האנרגיה מקרינה מסודרת לחום מבולגן. הזכרון התורשתי מאפשר למערכת למצוא את המצב היציב בלי לשחזר את התנודות האקראיות המובילות אליו במערכות דוממות כמערבולת או זרם ים.

החוק השני נחשב לפסימי שבחוקי הטבע. היקום כולו מתקדם עם הזמן לשיווי משקל כלומר לחלוקה שווה של האנרגיה במרחב כחום. "שיווי משקל" הוא מונח פיזיקלי שבביולוגיה פירושו מוות. ההבנה החדשה הופכת את היוצרות: החיים אינם מרידה בחוק השני אלא תוצאתו. החיים על מורכבותם ההרמונית אינם אלא אמצעי להחיש את הזרימה מהסדר לאנרכיה.

עלתה בדעתכם שאלה מעניינת, מסקרנת, מוזרה, הזויה או מצחיקה? שלחו ל [email protected]

עוד בנושא באתר הידען:

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

3 תגובות

  1. עולה מכאן שהאנושות היא בעצם המערבולת היחידנית שהטבע לא לקח בחשבון ? מאוד רוצה להאמין שאנחנו מיוחדים😁

  2. התשובה הפשוטה לשאלה היא כי החיים הם צריכת אנרגיה והאוכל הוא מקור האנרגיה ,
    השאלה שנותרה חסרת תשובה
    או הסבר היא איך מצליחים ג׳הני פרלהד ודומיו להונות את מאמיניהם,

  3. אז למה צריך לאכול?
    יכול להיות שפיספסתי בכל המלל את התשובה הפשוטה לשאלה?

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן