Entropyproduktion får en systemopdatering

Naturen er ikke homogen. Det meste af universet er komplekst og sammensat af forskellige undersystemer-selvstændige systemer inden for en større helhed. Mikroskopiske celler og deres omgivelser, for eksempel, kan opdeles i mange forskellige delsystemer:ribosomet, cellevæggen, og det intracellulære medium, der omgiver cellen.

Den anden lov af termodynamik fortæller os, at den gennemsnitlige entropi af et lukket system i kontakt med et varmebad - groft sagt, dens "lidelse" - stiger altid over tid. Pytter genfryser aldrig tilbage til en isternings kompakte form, og æg bryder aldrig selv. Men den anden lov siger ikke noget om, hvad der sker, hvis det lukkede system i stedet er sammensat af interaktive undersystemer.

Ny forskning af SFI professor David Wolpert offentliggjort i New Journal of Physics overvejer, hvordan et sæt interagerende undersystemer påvirker den anden lov for det system.

"Mange systemer kan ses som om de var undersystemer. Så hvad? Hvorfor egentlig analysere dem som sådan, snarere end som et samlet monolitisk system, som vi allerede har resultaterne for, ”Spørger Wolpert retorisk.

Grunden, han siger, er, at hvis du betragter noget som mange interagerende undersystemer, du når frem til en "stærkere version af den anden lov, "som har en nul -nedre grænse for entropiproduktion, der skyldes den måde, hvorpå delsystemerne er forbundet. Med andre ord, systemer, der består af interagerende delsystemer, har et højere gulv til entropiproduktion end et enkelt, ensartet system.

Al entropi, der produceres, er varme, der skal spredes, og det samme er energi, der skal forbruges. Så en bedre forståelse af, hvordan delsystemnetværk påvirker entropiproduktion, kan være meget vigtig for at forstå energien i komplekse systemer, såsom celler eller organismer eller endda maskiner

Wolperts arbejde bygger videre på en anden af ​​hans nylige artikler, som også undersøgte delsystemers termodynamik. I begge tilfælde, Wolpert bruger grafiske værktøjer til at beskrive interagerende delsystemer.

For eksempel, den følgende figur viser de sandsynlige forbindelser mellem tre undersystemer - ribosomet, cellevæg, og intracellulært medium.

Som en lille fabrik, ribosomet producerer proteiner, der forlader cellen og kommer ind i det intracellulære medium. Receptorer på cellevæggen kan detektere proteiner i det intracellulære medium. Ribosomet påvirker direkte det intracellulære medium, men påvirker kun indirekte cellevægsreceptorerne. Noget mere matematisk:A påvirker B og B påvirker C, men A påvirker ikke direkte C.

Hvorfor ville et sådant undersystem netværk få konsekvenser for entropi produktion?

"Disse begrænsninger - i sig selv - resulterer i en styrket version af den anden lov, hvor du ved, at entropien skal vokse hurtigere, end det ville være tilfældet uden disse begrænsninger, "Siger Wolpert.

A skal bruge B som mellemmand, så det er begrænset til at handle direkte på C. Denne begrænsning er det, der fører til en højere etage på entropiproduktion.

Mange spørgsmål er tilbage. Det nuværende resultat tager ikke højde for styrken af ​​forbindelserne mellem A, B, og C - kun om de findes. Det fortæller os heller ikke, hvad der sker, når nye undersystemer med visse afhængigheder tilføjes til netværket. For at besvare disse og mere, Wolpert arbejder med samarbejdspartnere rundt om i verden for at undersøge delsystemer og entropiproduktion. "Disse resultater er kun foreløbige, " han siger.