Proudění energie, entropie, život a smrt
Proudění energie, entropie, život a smrt
Co to je vlastně ten život?
Dočetl jsem první knihu ze série Živá půda, která se týkala biologie půdy, tedy především té organické složky. Musím říct, že jsem při čtení zažil nejeden mystický zážitek, hlavně když se mi informace v hlavě propojily do většího celku.
Celá kniha mě fascinovala tou plností, krásou a komplexitou života, ale korunu tomu nasadila závěrečná kapitola o metabolismu živých organismů. Je to vlastně jednoduché, ale v tom nesmírně elegantní. Ponoření se na úroveň fyzikálně-chemických dějů dá člověku novou perspektivu a možnost překročení stávajícího rámce uvažování. Na jisté úrovni se stírá rozdíl mezi živým a neživým, protože elektron nebo kation vodíku takový atribut nemá. Zůstává jenom plynutí energie.
Rád bych zde nastínil tu eleganci a komplexitu a ukázal cestu k jistým jednotícím principům. Článek nicméně vymetá několik zákoutí a postupně vystavuje to téma, než se dostaneme do finále. Silně doporučuji vydržet až do konce!
Co to je život?
Můžeme definovat živé organismy pomocí výčtu vlastností, mě ale baví ta představa spojená s druhým zákonem termodynamiky, který se pojí s termínem entropie a jde laicky vyslovit v mnoha formách. Obecně se jedná o ireversibilitu, nevratnost dějů v přírodě. Teplo se nikdy samovolně nepřesouvá ze studenějšího tělesa na teplejší, v cyklickém procesu nejde nikdy přeměnit všechnu tepelnou energii na práci a pod. Prakticky to znamená, že při každém ději se část energie uvolní jako teplo, což je velmi neuspořádaná forma energie (entropie je spojena s neuspořádanost), s kterou nejde nic moc dělat, a abychom tu energii dostali zase do nějaké použitelné podoby pro konání práce, musíme ještě víc té energie dodat, čili v rámci uspořádanosti a použitelnosti energie jde vždy o ztrátový proces (zvyšuje se neuspořádanost, entropie). Nejde s tím nic dělat, je to jeden ze základních fyzikálních zákonů a dokonce tento princip svým způsobem definuje směr času. Entropie je důvod, proč se vám rozbitý hrneček zase sám nesloží a nepostaví na polici.
Jak to souvisí s živými bytostmi? Totiž přirozený směr dle termodynamiky je zvyšování entropie a rozpad. My si ale dokážeme formu během života udržet. Čím to je? Jsme takové přečerpávače entropie, které ji přečerpávají, jako když vám teče voda do sklepa a vy ji pomocí čerpadla na naftu pumpujete neustále ven. Jsme ostrůvky uspořádanosti, které pomocí metabolismu udržují nízkoentropický stav. Metabolismem snižujeme entropii svojí, naopak o to více zvyšujeme entropii našeho okolí. Spotřebováváme zdroje na tvorbu biomasy a konání práce, při tom uvolňujeme tepelnou energii do okolí.
Metabolismus
Zajímavé je, že metabolismus všech organismů se od sebe principiálně zásadně neliší. Každý organismus potřebuje pro svůj metabolismus zdroj energie pro nastartování chemických reakcí, zdroj uhlíku pro tvorbu biomasy a další (minerální) živiny, které se procesů účastní. I pro organismus platí zákony termodynamiky jako pro parní stroj nebo spalovací motor. Jde tedy o energetické rozdíly (gradienty), po kterých se organismus může svézt jako po skluzavce a získat energii, podobně jako se třeba vodní elektrárna vozí na rozdílu potenciální energie danou rozdílem hladin vody.
Pro organismus je důležité, kde jsou schované energetické zdroje, které může využít pro konání užitečné práce. Energetika živé buňky je založena na oxidačně-redukčních reakcích analogických k hoření paliva, kdy dochází k výměně elektronů mezi donorem a akceptorem (oxidační činidlo). Rozdíl potenciálu, po kterém se buňka vozí, je v tomto případě rozdíl elektronegativity mezi donorem a akceptorem. Zjednodušeně řečeno, čím větší rozdíl elektronegativity, tím více energie buňka dostane pro práci a tvorbu zásobních molekul ATP. Organismy se potom logicky snaží založit svůj metabolismus na látkách s co největším rozdílem elektronegativity, nicméně výhodné může být i získat méně energie tam, kde to nikdo jiný nedokáže.
Celý koloběh energie v živých organismech si potom můžeme velmi zjednodušeně představit jako postupnou oxidaci a štěpení složitějších sloučenin na jednodušší. Jeden organismus ukousne kousek energie z toho potenciálu, zároveň ale produkty jeho metabolismu použije další organismus, kterému se povedlo sehnat silnější oxidační činidlo. Na konci (nebo spíš začátku) cyklu je sluneční energie, pomocí které se složitější sloučeniny zase syntetizují a celé se to zresetuje. Je to koloběh.
Jako příklad jízdy po potenciálu si jde vzít anaerobní bakterie v půdě, které organickou hmotu mění bez přístupu vzduchu na metan, který postupuje půdou nahoru, dostane se k aerobním bakteriím a ty se svezou na svojí skluzavce při přeměně metanu na oxid uhličitý. Celý vtip je v tom, že kyslík je silné oxidační činidlo, které anaerobní bakterie nemají, čili ta část potenciálu je pro ně uzamčena. Odemyká se ale na povrchu, kde je kyslíku pro reakci dostatek.
Katabolické a anabolické procesy
Doteď jsme mluvili hodně o získávání energie. Obecně ale máme chemické reakce exergonické a endergonické, tedy reakce, při kterých se energie uvolňuje, nebo naopak spotřebovává. Typicky potom platí, že katabolické procesy, procesy rozpadu složitějších sloučenin a oxidace, jsou reakce vesměs exergonické a energii uvolňují, zatímco anabolické procesy, procesy výstavby složitějších sloučenin, zahrnují reakce endergonické a vyžadují energii dodat. Organismus potom v rámci metabolismu těží energii v rámci katabolických procesů, ukládá energii ve formě ATP a používá ji pro výstavbu biomasy, což je proces anabolický. Nejsou to procesy vždy oddělené, třeba ten známý Krebsův cyklus se vlastně podílí na obojím.
Základní typy energetického metabolismu
Jak jsme zmínili, organismy potřebují pro metabolismus mimo jiné zdroj energie, zdroj elektronů (donor pro redoxní reakce) a uhlíku (tvorba biomasy). Ke každému kroku existují v zásadě dva přístupy a existují organismy pro každou kombinaci.
Zdroj energie: Fototrofové získávají energii ze slunečního záření, zatímco chemotrofové oxidací organických nebo anorganických sloučenin.
Zdroj elektronů: Organotrofní organismy využívají organické látky, třeba glukózu, zatímco litotrofní anorganické sloučeniny jako vodík, vodu, sirovodík nebo amoniak.
Zdroj uhlíku: Autotrofní organismy používají oxid uhličitý, heterotrofní organismy potom organické sloučeniny.
Pro ukázku si můžeme uvést rostliny, které jsou fotolitoautotrofní, zatímco člověk je tak trochu přesný opak - chemoorganoheterotrofní.
Každopádně máme rovnou 8 základních skupin organismů. Ta pestrost! Můžeme teď vidět, proč může bakterie žít u nás v kuchyní i na dně moří u sirného pramene. Ta kostra je vždy stejná, jenom používá každý organismus pro danou fázi jiný “modul“. Spousta organismů má potom modulů více, ale vždy používá ten nejefektivnější, tak jako lidské tělo metabolizuje primárně a efektivně za přístupu kyslíku, dokud nezačnete intenzivně cvičit a kyslík se nedostává.
Energetické gradienty
Fascinuje mě ta bohatost života a druhů metabolismu, i to jsem chtěl nastíněním detailů ukázat, ale když udělám další krok zpět a podívám se z větší dálky, vidím již zmíněné energetické gradienty. Když má jakýkoliv děj proběhnout, musí se pro daný děj vytvořit potenciál, musí existovat gradient, a následně se proces vždy sklouzne po entropické skluzavce domů, směrem k vyšší entropii.
Ty gradienty jde vidět všude kolem, pokud se na to člověk zaměří. Je to třeba:
Rozdíl potenciálů v gravitačním poli (volný pád snižuje potenciál);
zmíněný rozdíl elektronegativity u redoxních reakcí;
rozdíl elektrického potenciálu vede k napětí, které může způsobit elektrický prod;
pohyb látek po koncentračním spádu (samovolný pohyb z míst s větší koncentrací do míst s koncentrací nižší) lze využít ke konání práce;
termojaderné štěpení nebo fúze, které probíhají po gradientu definovaném vazebnou energií per nukleon. Ten gradient neroste s atomovým číslem, naopak tvoří stříšku, proto je někdy energeticky výhodná fúze a někdy štěpení. Je to také důvod, proč ve hvězdách nevzniká nic těžšího než železo, protože to je vršek toho gradientu a další reakce by byla energeticky nevýhodná.
Obrázek 1: Vazebná energie per nukleon dle atomového čísla A. Železo je na vrcholu. Fúze probíhá zleva doprava k železu, štěpení zprava doleva k železu. Je vidět, proč má fúze takový potenciál, ten rozdíl vazebné energie je tam obrovský.1
Pro mě je na těch gradientech zajímavé to, že opět překračují hranici organického a anorganického. Hvězda žije tak dlouho, dokud má palivo, živočich zase tak dlouho, dokud má potravu či nepojde stářím. Po gradientech se kloužou všichni. Jen se podívejte kolem, jistě vás napadne nějaký další příklad.
Člověk a energie
Člověk je trochu specifický v tom, že dokáže využívat energii v daleko větším množství než další živočichové. Je to proto, protože živé organismy typicky umí využívat energii jen v rámci svého metabolismu a tu využít k práci. Takové energii říkáme endosomatická. Člověk ale pomocí technologií dokáže čerpat energii i mimo svoje tělo a tu používat k vykonávání práce. V dnešní době jde především o spalování fosilních paliv, ale všechny energetické zdroje do toho mixu přispívají. Výdej člověka je tedy sice 2000 kcal za den endosomaticky, ale mimotělní, exosomatické energie spotřebovává (v Evropě) v řádu 100 000 kcal za den, tedy 50x více!
V rámci lidské civilizace a ekonomie potom používáme pro zachycení jakéhosi potenciálu pro získání energie metriku zvanou ERoEI (Energy Returned on Energy Invested) či synonymně EROI (Energy Return On Investment), která zachycuje poměr získané a investované energie u různých energetických zdrojů, tedy jistý druh efektivity. Ten poměr vychází nejlépe u jaderných nebo i vodních elektráren, nejhůře u solárních, ale je třeba pamatovat, že to je jenom jeden dílek do skládanky a není to nutně svázané třeba s cenou té energie. Je to ale zásadní termín pro pochopení obtížnosti zelené transformace.
Je zřejmé, že energetický zdroj se vyplatí pouze s kladnou bilancí získané a investované energie, pokud tedy nezískáváme nějakou zásadně výhodnou formu energie, kterou by stálo za to energií dotovat.
Závěr článku, života i vesmíru
Začali jsme o životě, pokračovali přes metabolismus a jeho druhy až k energetickým gradientům, které jsou vlastně všude. Když se člověk zamyslí, může takto pokračovat krok za krokem až na počátek k velkému třesku. Zároveň je vše ohraničeno v čase a prostoru, jestli něco takového tedy jde říct o celém vesmíru. Spíš nejde.
Člověk žije rozkladem organické hmoty z rostlin, hub a živočichů. Ty naopak přímo nebo nepřímo existují jen díky energii ze Slunce, čili bychom tak mohli říct, že celá Země si snižuje entropii zase na úkor nějakého “externího” procesu. Je napojena na termojadernou fúzi, která ve Slunci probíhá. Až Slunci dojde energie, Země nebude mít nic k jídlu (a navíc ji teda Slunce spálí, ale to je detail).
A Slunce? To se zažehlo pomocí gravitace, na fúzi je zase třeba vodík, který vznikl už v ranném vesmíru krátce po třesku, který na začátku nastavil podmínky pro to, aby hvězda mohla vzniknout. Nikdo si ale asi neříkal, bouchneme to tak, aby vznikly hvězdy. Ty jsou spíše emergentním jevem těch podmínek, jako vlastně i život sám. Každopádně od doby zrodu Slunce už jen následuje to klouzání po gradientu termojaderné fúze. Jednou ten čas vyprší.
Stejně tak celý vesmír začal v jednom bodě, o kterém ještě moc nevíme, ale byly v tu dobu nastaveny velmi konkrétní podmínky, které dovolily vše následující. Entropie nebyla nulová, ale od té doby jenom roste. Právě od toho prvotního stavu se sklouzáváme po termodynamických gradientech a můžeme konat práci. Vesmír se ale jednou dostane do stavu, kdy už nebude existovat volná energie na konání práce. Energie bude rovnoměrně distribuována prostorem a přestane proudit. Bude to konec gradientů a nastane tepelná smrt vesmíru. To je aspoň jedna z možností.
Nevím, co to dělá s vámi, ale já cítím klid a vlastně i soucit. Všechno a všichni hrajeme v tomhle vesmíru stejnou hru, ale nakonec i ten vesmír na to sám dojede a čas se zastaví, pokud se pletivo časoprostoru dříve neroztrhá expanzí (Big Rip) nebo se nezblázní vakuum (vacuum decay)2. Je potom otázka, jestli má člověk lamentovat nad tím úsekem, který byl daný jemu, nějaké bakterii nebo hvězdě. Všechno jsou jen přechodné formy, které se složily a jednou jim to palivo dojde. Tak jako se hvězda ale mohla teoreticky bavit myšlenkou, že po její smrti z jejích částic vznikne člověk (we are made of stardust), stejně tak se člověk může bavit tím, že z jeho částic vyroste strom nebo něco jiného a krásného. Celkem by mě zajímalo, čemu dá vzniknout po smrti ten náš vesmír. A z jakého předchozího jevu sám vychází. Ne že bych čekal, že se to někdy dozvím, ale v tom je taky ta zábava…
Převzato z Murphy, T. W. (2021). Energy and Human Ambitions on a Finite Planet. Location: eScholarship. http://dx.doi.org/10.21221/S2978-0-578-86717-5 Retrieved from https://escholarship.org/uc/item/9js5291m