כיצד החיים מצליחים להתקיים ביקום בו חוקי הפיזיקה מעדיפים כאוס
תביט סביבך. על מארג העורקים המורכב בעלה, או על הארכיטקטורה המופלאה של כף ידך. עכשיו, העבר ידך על כוס הקפה שעל השולחן, המתקררת מאליה, או שתביט על החדר שלך שמתבלגן מעצמו אם אינך מקפיד לסדר אותו. זו אינה מקריות. היקום, מטבעו, נוטה לאי-סדר, לדממה, לשיווי משקל. הוא תמיד יבחר בדרך הדורשת הכי פחות מאמץ. זהו החוק השני המפורסם של התרמודינמיקה.
חוקי הטבע מציבים בפנינו חידה: אם מגמת היקום היא דממה אחידה ופושרת, כיצד ייתכנו חיים? כיצד ייתכן קיומו של מצב כה מסודר, מורכב וצורך אנרגיה, ביקום שמעדיף כאוס?
התשובה היא שהחיים אינם מפרים את חוקי הפיזיקה. להיפך, קיומם תלוי באותם החוקים שלכאורה אמורים היו למנוע את עצם קיומם.
חוקי המשחק של היקום: תרמודינמיקה על רגל אחת
כדי להבין את הפרצה עלינו להכיר את חוקי התרמודינמיקה, הענף הפיזיקלי החוקר מעברי חום ואנרגיה.
החוק הראשון של התרמודינמיקה הוא חוק שימור האנרגיה לפיו אנרגיה אינה נעלמת ואינה נוצרת יש מאין, היא רק משנה צורה. כך שסך כל האנרגיה ביקום קבוע.
החוק השני של התרמודינמיקה הוא זה שמכתיב את כיוון הזרימה, והוא עושה זאת על ידי הצגת מושג האנטרופיה (S), המדד למידת אי-הסדר. לפי החוק השני תהליך יתרחש באופן ספונטני רק אם האנטרופיה הכוללת של המערכת וסביבתה גדלה. במילים פשוטות, היקום כולו תמיד הולך ומתבלגן.
כאן מסתתר רמז ראשון לפתרון חידת החיים כי החיים, יכולים להתקיים כמערכת מסודרת, כלומר להקטין את האנטרופיה שלהם, אבל רק בתנאי שהם מגדילים את אי-הסדר ביקום אשר סביבם במידה רבה עוד יותר.
האנרגיה החופשית של גיבס "הרמזור" של היקום
כדי לדעת האם תגובה כימית תקרה בפועל, מדען בשם גיבס שילב את שני החוקים ויצר מדד מכריע אחד: האנרגיה החופשית של גיבס (ΔG). אתה יכול לחשוב עליה כעל "הרמזור" של היקום, הקובע אם תהליך מסוים יקבל "אור ירוק", ויתרחש באופן ספונטני.
האנרגיה החופשית של גיבס מתוארת במשוואה: ΔG = ΔH - TΔS
- ΔH (אנתלפיה): שינוי באנרגית החום.
- TΔS (אנטרופיה): שינוי במידת אי-הסדר (ΔS) כפול הטמפרטורה (T).
השורה התחתונה פשוטה:
- כש-ΔG חיובי, הרמזור אדום. התהליך דורש השקעת אנרגיה חיצונית ולא יקרה מעצמו.
- כש-ΔG שלילי, הרמזור ירוק, והתהליך יתרחש באופן ספונטני.
- כש-ΔG=0, המערכת הגיעה לשיווי משקל. זהו מצב של דממה כימית.
בניית המולקולות המורכבות של החיים - חלבונים, DNA, קרומי תאים - היא כמעט תמיד תהליך שאינו ספונטני הדורש השקעת אנרגיה, עם ΔG חיובי מאוד. מה שאומר "אור אדום".
אם כך, איך החיים מצליחים לחצות את הצומת הזו, ולהתקיים? מסתבר שלחיים יש שני טריקים המסבירים את חידת קיומנו.
טריק מס' 1: אמנות הצימוד החכם
החיים הם התגלמות היעילות. במקום לנסות לדחוף משא במעלה ההר, הם מצמדים את הטיפוס הלא-ספונטני הזה לגלישה ספונטנית ואנרגטית הרבה יותר.
הדבר דומה לאנרגיה של מפל מים שוצף (תהליך ספונטני עם ΔG שלילי) המפעיל טחנת קמח שטוחנת תבואה (עבודה הדורשת אנרגיה, עם ΔG חיובי). האנרגיה האדירה של המפל "משלמת" על העבודה הקשה של הטחינה.
בעולם התא, ה"מפל" הוא מולקולה בשם ATP (אדנוזין טריפוספט) - מטבע האנרגיה האוניברסלי. פירוק של ATP ל-ADP הוא תהליך ספונטני ביותר, המשחרר פרץ אדיר של אנרגיה חופשית (ΔG שלילי מאוד). כשהתא צריך לבנות חלבון (משימה "בעלייה"), הוא פשוט "משלם" עליה באמצעות פירוק מולקולות ATP. האנרגיה המשתחררת מה-ATP גדולה מהאנרגיה הדרושה לבניית החלבון. בסך הכול, ה-ΔG של שני התהליכים יחד הוא שלילי, והמשימה מקבלת "אור ירוק". כך החיים לא מפרים את החוקים הודות לניהול חשבונאות יצירתית.
טריק מס' 2: אנזימים - הזרזים של החיים
אז פתרנו את בעיית ה"האם זה יקרה?". אבל מה עם בעיית ה"האם זה יקרה בזמן סביר?"
גם לתהליך ספונטני עם ΔG שלילי יכול לקחת נצח להתרחש. הסיבה היא "אנרגיית ההפעלה" - מחסום אנרגטי ראשוני שצריך לעבור, כמו דחיפה קטנה שצריך לתת לכדור כדי שיתחיל להתגלגל במורד.
כאן נכנס הטריק השני של החיים: האנזימים.
אנזימים הם זרזים ביולוגיים. חלבונים מתוחכמים שיודעים לעשות דבר אחד מדהים: להנמיך את אנרגיית ההפעלה. הם לא משנים את גובה הגבעה או את עומק העמק (ΔG נשאר זהה), אלא סוללים דרך מהירה ונוחה יותר עבור הכדור כדי שיתחיל להתגלגל.
כאשר אנרגית ההפעלה הדרושה לביצועה של הריאקציה הכימית גבוהה בהרבה ללא האנזים (קו אדום) מאשר כשהאנזים מזרז אותה (קו כחול).
לאנזימים שתי תכונות מפתח:
- יעילות קטליטית: הם מאיצים תגובות בקצב מסחרר, לעיתים פי מיליונים ויותר. לדוגמה, האנזים קרבוניק אנהידראז מאיץ את פינוי הפחמן הדו-חמצני מהרקמות לריאות בקצב של כ-100,000 מולקולות בשנייה. בלעדיו, תהליך חיוני זה היה איטי מדי לקיום חיים מורכבים.
- ספציפיות: כל אנזים מתמחה בדרך כלל בתגובה אחת או בסוג אחד של מולקולה (סובסטרט). האנזים DNA פולימראז, למשל, שמשכפל את ה-DNA שלנו, הוא כה מדויק שהוא טועה רק פעם אחת בכמיליון נוקלאוטידים ("אותיות" DNA) שהוא משעתק.
הפעילות של אנזימים נתונה לבקרה הדוקה. לעיתים, תוצר התהליך בעצמו משמש כ"מתג כיבוי" לאנזים שיצר אותו (משוב שלילי), וכך התא מונע ייצור עודף. זוהי מערכת בקרה חכמה ויעילה.
ההבדל בין חיים למוות: מצב יציב מול שיווי משקל
שני הטריקים האלה - צימוד תהליכים והאצה - מאפשרים לחיים להתקיים במצב ייחודי: מצב יציב שהוא ההפך הגמור משיווי משקל.
דמיין כיור.
בשיווי משקל הברז סגור, והכיור ריק. שום דבר לא קורה.
אולם במצב יציב הברז ופתח הניקוז פתוחים. מים זורמים פנימה והחוצה בקצב שווה, כך שמפלס המים נשאר קבוע. המערכת נראית יציבה, אך היא דינמית לחלוטין, עם זרימת אנרגיה קבועה דרכה.
שיווי משקל הוא מוות. תא חי הוא תמיד "כיור" עם זרימה בלתי פוסקת: אנרגיה וחומרים נכנסים, פסולת וחום יוצאים. הזרימה הזו היא שמאפשרת לתא להישאר במצב אנרגטי גבוה, רחוק מהשקט הכימי של המוות. ברגע שזרימת האנרגיה נפסקת, המערכת כולה גולשת באופן בלתי נמנע "במורד הניקוז" אל עבר שיווי המשקל.
המערבולת הקוסמית
אז איך כל שפע החיים הקיימים על כוכב הלכת שלנו מצליחים להתריס נגד שיווי המשקל? התשובה היא שכדור הארץ אינו מערכת סגורה.
אנו שטופים בזרם אדיר ובלתי פוסק של אנרגיה איכותית מהשמש. אנרגיה זו זורמת דרך הפלנטה שלנו, נלכדת על ידי צמחים בתהליך הפוטוסינתזה, את הצמחים אוכלים בעלי חיים, וכך אנרגית השמש מניעה את כל הביוספרה, לפני שהיא נפלטת חזרה לחלל כחום מפוזר ובאיכות נמוכה.
במילים אחרות, האנטרופיה הכוללת של היקום אכן גדלה, בדיוק כפי שהחוק השני דורש. השמש השורפת את עצמה יוצרת כמות כאוס עצומה. אבל בתוך נהר האנרגיה הגדול הזה הזורם "במורד", החיים הם כמו מערבולת זמנית ונדירה. הם לוכדים חלק מהאנרגיה החולפת ומשתמשים בה כדי ליצור איים של סדר מורכב, בזמן שהנהר הראשי ממשיך לזרום אל יעדו הסופי.
קיומנו אינו טעות קוסמית או מרד נגד חוקי הפיזיקה. ליהפך, אנחנו תוצאה שלהם. החיים הם מה שקורה כאשר זרם של אנרגיה פוגש אוסף בר-מזל של חומר במשך מיליארדי שנים. אנו המבנים המורכבים והחולפים ביותר שהיקום יצר, בנויים מאבק כוכבים ומונעים על ידי כוכב רחוק. לרגע קצר וזוהר ניתנה לנו הזכות להתקיים כמערבולות של סדר. וזה, אולי, הנס הגדול מכולם. נס המוסבר במלואו על ידי חוקי התרמודינמיקה.
לעיון נוסף
סרטון היוטיוב של Veritasium מסביר את נושא האנתרופיה ואת עקרונות היסוד של התרמודינמיקה לקהל הרחב.
לצורך דיוק הכתיבה אודות האנזימים נעזרתי בספר Lubert Stryer - Biochemistry, בפרק הראשון העוסק באנזימים.
האיור לקוח מויקיפדיה מתוך הערך על אנרגית אקטיבציה, מקור: Wikimedia - Jerry Crimson Mann.
אולי גם זה יעניין אותך
ראסל, גודל, טיורינג - כיצד ההכרה בגבולות הידיעה מהווה את הבסיס לעולם המידע
מהו עקרון אי־הוודאות, ומדוע אלקטרונים לא מתרסקים לתוך גרעין האטום?
האם יכול להיות שהתחממות האקלים הינה טבעית?
אהבתם? לא אהבתם? דרגו!
0 הצבעות, ממוצע 0 מתוך 5 כוכבים
המדריכים באתר עוסקים בנושאי תכנות ופיתוח אישי. הקוד שמוצג משמש להדגמה ולצרכי לימוד. התוכן והקוד המוצגים באתר נבדקו בקפידה ונמצאו תקינים. אבל ייתכן ששימוש במערכות שונות, דוגמת דפדפן או מערכת הפעלה שונה ולאור השינויים הטכנולוגיים התכופים בעולם שבו אנו חיים יגרום לתוצאות שונות מהמצופה. בכל מקרה, אין בעל האתר נושא באחריות לכל שיבוש או שימוש לא אחראי בתכנים הלימודיים באתר.
למרות האמור לעיל, ומתוך רצון טוב, אם נתקלת בקשיים ביישום הקוד באתר מפאת מה שנראה לך כשגיאה או כחוסר עקביות נא להשאיר תגובה עם פירוט הבעיה באזור התגובות בתחתית המדריכים. זה יכול לעזור למשתמשים אחרים שנתקלו באותה בעיה ואם אני רואה שהבעיה עקרונית אני עשוי לערוך התאמה במדריך או להסיר אותו כדי להימנע מהטעיית הציבור.
שימו לב! הסקריפטים במדריכים מיועדים למטרות לימוד בלבד. כשאתם עובדים על הפרויקטים שלכם אתם צריכים להשתמש בספריות וסביבות פיתוח מוכחות, מהירות ובטוחות.
המשתמש באתר צריך להיות מודע לכך שאם וכאשר הוא מפתח קוד בשביל פרויקט הוא חייב לשים לב ולהשתמש בסביבת הפיתוח המתאימה ביותר, הבטוחה ביותר, היעילה ביותר וכמובן שהוא צריך לבדוק את הקוד בהיבטים של יעילות ואבטחה. מי אמר שלהיות מפתח זו עבודה קלה ?
השימוש שלך באתר מהווה ראייה להסכמתך עם הכללים והתקנות שנוסחו בהסכם תנאי השימוש.