Μετάβαση στο κύριο περιεχόμενο

Η βιολογική εξέλιξη και ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής.

[...] Ας σκεφθούμε πόσο διαφορετικός θα ήταν ο κόσμος εάν σε όλα τα συστήματα μειώνονταν μέσα στο χρόνο η ενέργεια και η οργάνωση. Δε θα υπήρχαν εκπομπές που να δημιουργούν τα νέφη, τις καταιγίδες, τις καιρικές αλλαγές. Η οργάνωσή τους και η ενέργεια θα τα είχαν σκορπίσει από καιρό. Δε θα υπήρχαν δέντρα και λουλούδια. Οι καρποί τους θα είχαν ήδη αποσυντεθεί. Και εμείς, φυσικά, δε θα είμαστε εδώ. Ο καθένας μας θα είχε πεθάνει με τη μορφή ενός μαραμένου ζυγώτη που δε θα είχε ποτέ αναπτυχθεί. Σαφώς, η δημιουργιστική άποψη ότι όλα τα συστήματα τείνουν προς την αποσύνθεση και την αταξία είναι λανθασμένη. 

Υπάρχουν πολλά συστήματα πέρα από την εξέλιξη που τείνουν προς μεγαλύτερη τάξη. Ο Φιλίπ Μόρισον (1978), για παράδειγμα, έχει δείξει ότι η αυθόρμητη αύξηση της τάξης [στη φύση] είναι συνηθισμένο φαινόμενο στον κόσμο μας. Τονίζει σύμφωνα με το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής ότι η αύξηση της τάξης σε ένα σύστημα γίνεται με κατανάλωση ενέργειας. Παρόμοια αύξηση στα συστήματα είναι προφανές ότι δεν είναι αδύνατη, εκτός από τα κλειστά συστήματα που έχουν έλλειψη ενεργειακών πηγών. Όπου υπάρχουν μεγάλα ποσά ενέργειας, όπως στο σύστημα Ήλιος-Γη, είναι δυνατές και μεγάλες αυξήσεις στην οργάνωση.


Οι δημιουργιστές απορρίπτουν, βεβαίως, αυτή την άποψη, όταν ισχυρίζονται ότι οι οργανισμοί περιέχουν ένα είδος κωδικοποιημένου σχεδίου το οποίο έχει προσφερθεί από τον Θεό και ένα σύστημα μετατροπής της ενέργειας που τους επιτρέπει να ξεφεύγουν από το θάνατο και την αποσύνθεση που καθορίζεται από το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Από την άλλη, σχεδόν όλοι οι επιστήμονες δέχονται και το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής και την εξέλιξη. Χρειάζεται, συνεπώς, να θέσουμε το ερώτημα, με τι ακριβώς τρόπο αυτός ο δεύτερος νόμος επηρεάζει τα έμβια όντα. Μία ματιά στις μεταλλάξεις των γονιδίων επιτρέπει την απάντηση στο παραπάνω ερώτημα. Ένα δεδομένο φυσιολογικό γονίδιο θα μεταλλαχτεί σε ένα μη λειτουργικό γονίδιο με μία χαρακτηριστική συχνότητα που συχνά είναι της τάξης του 1/1.000.000 (Κάθε 999.999 φορές το εν λόγω γονίδιο μεταβιβάζεται χωρίς λάθος στην επόμενη γενεά, και μόνο μία φορά μεταβιβάζεται με κάποιο σφάλμα). Θα μπορούσαμε να ονομάσουμε αυτήν τη μετάλλαξη ενός λειτουργικού γονιδίου προς ένα μη λειτουργικό «βλαβερή» μετάλλαξη.
Πολλοί άνθρωποι εκπλήσσονται συχνά από το γεγονός ότι μη λειτουργικά γονίδια μεταλλάσσονται σε λειτουργικά. Αποκαλούμε αυτές τις μεταλλάξεις «διορθωτικές». 
Εάν μπορούσαμε να παρομοιάσουμε τα γονίδια με τα αυτοκίνητα, θα ήταν σαν να λέγαμε ότι περιστασιακά ένα αυτοκίνητο, του οποίου το αμάξωμα έχει παραμορφωθεί σε ένα σημείο, μπορεί να διορθωθεί ύστερα από ένα δεύτερο ατύχημα! Όμως, τα γονίδια δεν είναι αυτοκίνητα. Η χημική πολυπλοκότητα δεν είναι το ίδιο πράγμα με τη φυσική πολυπλοκότητα. Ακόμα και αν δεν μπορεί μία έκρηξη σε έναν εκδοτικό οίκο να δημιουργήσει ένα λεξικό, η ενέργεια μπορεί να μεταλλάξει το απλό μεθάνιο και την αμμωνία σε πολύπλοκα αμινοξέα, όπως έχουν αποδείξει ο Στάνλεϊ Μίλερ και ο Χάρολντ Γιούρεϊ το 1953. Παρομοίως, ακόμα και αν δεν είναι δυνατόν κάποια παραμόρφωση στο αμάξωμα κάποιου αυτοκινήτου να διορθωθεί ύστερα από ένα δεύτερο ατύχημα, ένα δεύτερο μεταλλαξιογόνο συμβάν μπορεί να καταστήσει εκ νέου λειτουργικό ένα γονίδιο.
Το αποτέλεσμα του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής γίνεται ολοφάνερο όταν υπολογίζεται η συχνότητα της διορθωτικής μετάλλαξης. Αυτή η συχνότητα διόρθωσης είναι πάντα μικρότερη από τη ζημιογόνο μετάλλαξη. Με λίγα λόγια, είναι ευκολότερο να πάμε από μία κατάσταση τάξης (λειτουργικότητα) σε μία κατάσταση αταξίας (μη λειτουργικότητα) από το να πάμε προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η τυπική συχνότητα για την εν λόγω διόρθωση της μετάλλαξης είναι της τάξης του 1/1.000.000.000. Αυτή είναι η πιο σημαντική συνέπεια του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής για τα έμβια συστήματα. Είναι ολοφάνερο ότι ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δεν αποτρέπει τα συστήματα να μεταβούν από την αταξία προς την τάξη. Αυτό που συμβαίνει με το νόμο στη συγκεκριμένη περίπτωση είναι η επέμβαση ώστε η συχνότητα αυτών των μεταλλάξεων να είναι σπάνια, συγκρινόμενη με τις μεταλλάξεις που είναι συμβατές με την ευνοϊκή θερμοδυναμική κατεύθυνση προς την αταξία. Εάν δε συνέβαινε αυτό, τότε όλα τα γονιδιακά συστήματα προφανώς θα είχαν κατεύθυνση προς άτακτες μη λειτουργικές καταστάσεις. Αυτό, όμως, δε γίνεται. Πρόκειται, λοιπόν, για κάποιο μυστικό και προκαθορισμένο σχέδιο ή εδώ υπάρχει κάποια άλλη μη υπερφυσική επεξήγηση;
Τώρα, λοιπόν, μπαίνουμε στην ουσία της εξέλιξης: τη φυσική επιλογή. Αυτό που έχει να κάνει ένας οργανισμός για να ξεφύγει από την αποσύνθεση, σύμφωνα με το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, είναι να καταστεί ικανός να δημιουργήσει περισσότερα νεαρά άτομα από όσα χρειάζεται για να αντικαταστήσουν τους γονείς. Όσο αυτό ισχύει, οι περιστασιακές μεταλλάξεις (σχεδόν όλες προσαρμόζονται λιγότερο από την πρωταρχική εκδοχή) θα είναι φτωχές αναπαραγωγικά ή ακόμα και θα πεθαίνουν χωρίς, αντίθετα, να επηρεάζουν τον πληθυσμό. Εφόσον οι βλαβερές μεταλλάξεις δεν αντιπροσωπεύονται στις επόμενες γενεές, οι μεταλλάξεις αυτές δεν μπορούν να οικοδομήσουν ένα υπόβαθρο που να θέτει σε κίνδυνο τον πληθυσμό. Όμως, οι μεταλλάξεις είναι τυχαίες αλλαγές, που έχουν συνήθως κατεύθυνση προς την αταξία, αλλά ο ρόλος της φυσικής επιλογής είναι να απομακρύνει τα σχετικώς άτακτα γονίδια και να αποτρέπει την καταστροφή του γενετικού συστήματος.
Με τον ίδιο τρόπο, η φυσική επιλογή μπορεί να αντικαταστήσει γονίδια με σπάνια μεταλλαγμένα γονίδια που εμφανίζονται βελτιωμένα σε σχέση με το πρωταρχικό γονίδιο, και, συνεπώς, που παίζουν το ρόλο ως ένα είδος οχήματος για τη βελτίωση του οργανισμού και την προσαρμογή του στο περιβάλλον το οποίο αλλάζει. Τα έξοδα της εντροπίας του δεύτερου νόμου πληρώνονται από την ενέργεια που απαιτείται για να δημιουργηθούν αυτό τα άτομα που δεν επιβιώνουν. Το καθαρό αποτέλεσμα είναι ότι η ζωή έχει ευκαιρίες να σώζει, να οικοδομεί και να βελτιώνει οτιδήποτε είναι λειτουργικό.
Με την πρώτη ματιά, αυτή η θέση μπορεί να φαίνεται ότι εναντιώνεται στο δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, αλλά, στην πραγματικότητα, δεν πρόκειται για διαμάχη. Συνεπώς, δεν υπάρχει ανάγκη για κάποιο προ-κωδικοποιημένο θεϊκό σχέδιο  για κάποια μυστική «βιταλιστική δύναμη». Η ζωή και η εξέλιξη συνιστούν φαινόμενα φυσικά.



Η παραπάνω θέση αποτελεί ένα απόσπασμα του βιβλίου: Εξέλιξη vs Δημιουργία, εκδόσεις Κέδρος του Eugenie C. Scott, σε μετάφραση της Λαοκρατία Λάκκα. 





Σχόλια

Δημοφιλείς αναρτήσεις από αυτό το ιστολόγιο

Απλή Αρμονική Ταλάντωση (Α.Α.Τ) Εξισώσεις κίνησης

Περιοδικά ονομάζονται τα φαινόμενα που επαναλαμβάνονται με τον ίδιο τρόπο σε ίσα χρονικά διαστήματα. Π.χ. ομαλή κυκλική κίνηση, κίνηση εκκρεμούς, περιστροφή γης γύρω από τον ήλιο κ.ά.
(Σκέψου μερικά ακόμη…)
Στοιχεία περιοδικής κίνησης Κάθε περιοδική κίνηση χαρακτηρίζεται από τα παρακάτω τρία στοιχειά:
Περίοδος (Τ) ενός περιοδικού φαινομένου ονομάζεται ο χρόνος που απαιτείται για μια πλήρη επανάληψη του φαινομένου ή ο χρόνος που μεσολαβεί μεταξύ δύο διαδοχικών επαναλήψεων του φαινομένου.
Η περίοδος είναι μονόμετρο μέγεθος και η μονάδα μέτρησής της είναι το 1 sec.

Συχνότητα (f) ενός περιοδικού φαινομένου ονομάζεται το φυσικό μέγεθος του οποίου το μέτρο θα δίνεται από το σταθερό πηλίκο του αριθμού Ν των επαναλήψεων του φαινομένου σε κάποιο χρόνο t, προς το χρόνο αυτό.Δηλαδή: Η συχνότητα είναι μονόμετρο μέγεθος και έχει μονάδα μέτρησης το 1 sec-1 ή 1 κύκλος/sec ή 1 Hz (Hertz).



Σχέση μεταξύ περιόδου – συχνότητας Επειδή σε χρόνο t ίσο με μια περίοδο Τ έχουμε μια επανάληψη (Ν=1) του φαινομένου έχουμ…

Ενέργεια Ταλάντωσης

Η ενέργεια της ταλάντωσης Ε (ή ολική ενέργεια) ενός συστήματος που εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση ισούται με την ενέργεια που προσφέραμε αρχικά στο σύστημα για να το θέσουμε σε κίνηση (ταλάντωση). 




Η ενέργεια αυτή θα δίνεται από τη σχέση:  Από την σχέση αυτή προκύπτει ότι το πλάτος Α καθορίζεται από την ενέργεια της ταλάντωσης, δηλαδή από την ενέργεια που προσφέραμε αρχικά στο σύστημα ώστε να αρχίσει να ταλαντώνεται. Σε όλη την διάρκεια της ταλάντωσης η ενέργεια παραμένει σταθερή. Η ενέργεια μιας απλής αρμονικής ταλάντωσης είναι σταθερή και ανάλογη µε το τετράγωνο του πλάτους της.

Απόδειξη της παραπάνω σχέσης. Αν το σώμα βρίσκεται ακίνητο στην θέση ισορροπίας, για να μετακινηθεί σε µια άλλη θέση πρέπει να του ασκηθεί κατάλληλη εξωτερική δύναμη Fεξ . Κατά την μετακίνηση αυτή θα ασκείται στο σώμα και η δύναμη επαναφοράς. 

Για να μετακινηθεί το σώμα στην θέση (x) θα πρέπει το μέτρο της εξωτερικής δύναμης να είναι ίσο µε το μέτρο της δύναμης επαναφοράς και να έχει αντίθετη φορά, σε κάθε χρονι…

Ταλάντωση και Ελατήριο

Ελατήριο ονομάζεται ένα μηχανικό εξάρτημα το οποίο έχει την ικανότητα να αποθηκεύει μηχανική ενέργεια παραμορφώμενο προσωρινά. Συνήθως το σχήμα είναι ελικοειδές, αλλά υπάρχουν και ελατήρια σε σχήμα ράβδου, οι σούστες.
Το κάθε ελατήριο μπορεί να παραμορφωθεί ως προς μία διάστασή του υπό την επίδραση δύναμης. Όταν ασκείται δύναμη σε αυτήν τη διάσταση, το ελατήριο παραμορφώνεται αποθηκεύοντας το έργο της δύναμης.
Ιδανικό ελατήριο Σε ιδανικά θεωρητικά ελατήρια ισχύει απόλυτα ο νόμος του Hook, δε χάνεται ενέργεια στο περιβάλλον και τα ελατήρια μπορούν πάντα να επιστρέψουν στο αρχικό τους μήκος. Επίσης η μάζα του ιδανικού ελατηρίου θεωρείται αμελητέα. [Στην πραγματικότητα χάνεται μικρό ποσό ενέργειας στο περιβάλλον ως θερμική ενέργεια, ενώ η παραμόρφωση μπορεί να γίνει μόνιμη. Κάθε ελατήριο έχει κάποια όρια αντοχής αν τα υπερβούν θα παραμορφωθεί ή θα σπάσει. Επιπλέον, με την επαναλαμβανόμενη χρήση το υλικό χάνει τις ιδιότητές του λόγω μηχανικής κόπωσης και αν δεν αντικατασταθεί θα σπάσει.]

Νόμο…

Απλή Αρμονική Ταλάντωση (Α.Α.Τ) - Συνισταμένη Δύναμη

Από την Α΄ Λυκείου γνωρίζεις τον θεμελιώδη νόμο της Μηχανικής (2ος νόμος του Newton), ΣF=mα. Επίσης, όπως γνωρίζεις για να υπάρχει επιτάχυνση πρέπει να υπάρχει και δύναμη που ασκείται σε κάποιο σώμα. Στην Α.Α.Τ. ισχύει α=-ω2x, ο συνδυασμός αυτών των δυο σχέσεων δίνει τη σχέση: 
ΣF=-m ω2x Από τη σχέση αυτή φαίνεται ότι όταν ένα σώμα εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση η συνολική δύναμη που δέχεται είναι ανάλογη με την απομάκρυνση του σώματος από την Θ.Ι. της τροχιάς του και έχει αντίθετη φορά από αυτήν. Όταν το σώμα περνά από την Θ.Ι. η συνολική δύναμη που δέχεται ισούται με μηδέν. (Για το λόγο αυτό, ονομάζεται θέση ισορροπίας της ταλάντωσης). Επίσης, στις ακραίες θέσεις της ταλάντωσης η ΣF είναι μεγίστη.


Στο βίντεο δες το διάνυσμα της δύναμης επαναφοράς (είναι πάντα προς την θέση ισορροπίας). 



Αν συμβολίσουμε το γινόμενο mω2 με D (που είναι σταθερό για κάθε ταλαντωτή), δηλαδή D = mω2
Τότε θα έχουμε τη σχέση που δίνει τη δύναμη:F = −Dx (Μάθε την απόδειξη)

Η παραπάνω σχέση είναι γνωστή και σαν συν…

Θέματα πανελληνίων εξετάσεων: Ταλαντώσεις

Τα θέματα των πανελληνίων μπορείς να τα δεις κι εδώ, αλλά σ’ αυτό το αρχείο θα βρεις όλα τα θέματα από το 2001 ως το 2012 τα οποία αναφέρονται στις ταλαντώσεις, αποκλειστικά,  μηχανικές, ηλεκτρικές. Καλή δουλειά σου εύχομαι.