Maxwell'in iblisi ve yaşam bilmecesi
Canlı yapının anahtarının genlerde kodlanmış bilgi olduğunu anladık; doğayı ve evreni daha farklı algılar olduk, şimdi de yaşam bilmecesini çözmeye çalışıyoruz
Fizikçi Erwin Schrödinger, 1944 yılında yazdığı "Hayat nedir?" isimli kitabında canlı organizmaların “negatif entropi” ile beslendiğini söylüyordu: "Canlı madde, açık bir sistemde negatif entropiyi homeostatik olarak koruyarak termodinamik dengeye düşmekten kurtuluyor."
Yani yaşamın varlığı ve sürdürülebilir olması için "homeostatik, açık sistem ve negatif entropi" ortamının sağlanması gerekiyor.
Burada sözü edilen "homeostatik" ile canlı organizmanın yaşam koşullarını otomatik olarak ayarlayabilme yetisine sahip olması kastediliyor. Yani, çevresinde olumsuz koşullarla karşılaşan canlı yapı, kendini koruma refleksine sahip olmalı ve değişen koşullara uyum sağlama becerisi kazanmış olmalıdır.
Entropi
Entropi ise sürekli artan düzensizliğin bir ölçüsü: Bu fikrin merkezinde, artan entropi yasası veya “zamanın oku” olarak da bilinen termodinamiğin ikinci yasası vardır. Avusturyalı fizikçi Ludwig Boltzmann, 1867 yılında, entropiyi bir fiziksel sistemde düzensizliğin bir ölçüsü olarak tanımlar ve formüle eder.
Entropi, basitçe anlatmak gerekirse sıcak olanın soğuması, gazların havada yayılması; zaman ilerledikçe enerjinin dağılma veya yayılma eğilimidir.
Ve bu eğilim sürekli artar.
Sonunda sistem, “termodinamik denge” diye tanımladığımız enerjinin eşit olarak dağıldığı duruma ulaşır. Örneğin bir bardak sıcak çay, bir odada bırakılırsa zamanla oda ile eşit sıcaklığa kadar soğur. Bu süreç geri döndürülemez; dışarıdan ısı verilmedikçe çay bir daha asla kendiliğinden ısınmaz.
Burada oda kapalı bir sistem. Artan entropi, sistemi termodinamik dengeye götürür ve sonunda tüm oda tek tip, sıkıcı bir karmaşaya içine girer.
Evren, bir kapalı sistem olarak bu kaderi paylaşacaktır. Ancak canlı organizmalar varlıklarını sürdürmeleri için bu kaderi değiştirmek zorundalar.
Schrödinger canlı yaşam için entropinin artmaması gerektiğini belirtiyor.
Bu "negatif entropi" demektir; bir yandan da termodinamik yasaların ihlali anlamına gelmekte.
Canlı yapı bunu nasıl yapıyor?
Maxwell'in iblisi
İngiliz teorik fizikçi ve matematikçi James Clerk Maxwell 1867 yılında bir düşünce deneyi tasarlar. Kendi deyimiyle termodinamiğin ikinci yasasını ihlal edecektir.
İçinde rastgele hareket eden moleküllerin olduğu bir kutu alıyor. Amacı hızlı molekülleri yavaş olanlardan ayırarak süreç içinde entropiyi azaltmak. Ama nasıl?
Kutudaki her bir molekülü görebilen küçük, hayali bir yaratık düşünüyor. Fizikçi William Thomson daha sonra bu hayali yaratığı "iblis" olarak adlandıracaktır.
Maxwell'in iblisi, kutuyu sürgülü bir kapı ile iki bölmeye ayırıyor. Sağ bölmeden sürgülü kapıya yaklaşan hızlı bir molekül gördüğünde onun sol bölüme geçmesi için kapıyı aralıyor. Sol bölmedeki yavaş moleküllerin de sağ bölüme geçmesine izin veriyor. Sonunda, sağ taraf yavaş yani "soğuk" bölge ve solda da sıcak bölme oluşuyor. Yani negatif entropi sağlanmış görünmektedir.
Bu haliyle sistem tam bir ısı deposu tasarımıdır.
Bu düşünce deneyi uzun süre kafaları karıştırdı ve bilim insanlarını farklı bir çözüme götürdü.
Bu durum sadece iki nedenden dolayı mümkündü. Birincisi, iblis bizden daha fazla bilgiye sahipti ve istatistiksel ortalamalar yerine tüm molekülleri tek tek görebiliyordu. İkincisi, iblisin bir amacı, sıcağı soğuktan ayırma planı vardı.
Maxwell'in iblisi, sahip olduğu bilgisini bir amacına yönelik kullanarak termodinamik yasalara meydan okuyabilmekteydi.
Bilgi ölçülebilir mi?
Schrödinger'e göre canlı yapılar da Maxwell'in iblisi gibiydiler. Onlar da sahip oldukları bilgiyi kullanarak hayatta kalıyorlardı.
Ona göre negatif entropi elde etmek için bilgi genlerde kodlanıyor ve bir nesilden diğerine aktarılıyor. Bu bilgiyi edinmeseydi, organizma içinde bulunduğu sistemle yavaş yavaş dengeye gelecek ve ölecekti.
Schrödinger, o tarihte bilginin nerede tutulduğunu veya nasıl kodlandığını bilmiyordu, ancak dört yıl sonra Amerikalı bilim insanı Claude E. Shannon "entropi" olarak bilinen bir ölçüt yardımıyla bilginin ölçülebilir olduğunu gösterdi. Shannon entropisi, bir mesajı kodlamak için gereken ikili kodlamanın yani "bit"lerin sayısı ile tanımlıydı.
Yaklaşık 80 yıl önce Ludwig Boltzmann, 1867 yılında, entropiyi makroskopik yapıdaki mikroskopik parçacıkların olası hareket sayısı olarak tanımlamıştı. Bugün Boltzman'ın termodinamik entropisi ile Shannon entropisi bilim dünyası tarafından eşdeğer kavramlar olarak kabul ediliyor.
Genetik şifre: DNA
Schrödinger kitabında, canlı organizmaların sahip oldukları bilgiyi depolayarak planlı bir şekilde yaşamlarını sürdürmeyi başardıklarını söylüyordu. Organizmaların genetik şifresini barındıran karmaşık bir molekül olmalıydı. Dahası, kuantum mekaniğinin, yaşamı anlamada ve anlam kazandırmada anahtar rolü vardı.
O bunları dile getirdiğinde "Deoksiribo nükleik asit" yani kısaca DNA olarak bildiğimiz tüm organizmaların genetik bilgilerini taşıyan moleküler yapı henüz keşfedilmemişti.
Ancak onun sezgisi, Francis Crick'e ve James Watson'a ilham verdi ve onlar da DNA molekülünün moleküler yapısında genetik bilginin nasıl kodlanabileceğini araştırdılar. 20. yüzyılın en önemli bilimsel keşiflerinden biri olan ikili sarmal yapılı "DNA"nın keşfi, onlara 1962 Nobel Tıp ve Fizyoloji Ödülü'nü kazandırdı.
Yıllar sonra birbirlerinden bağımsız olarak yazdıkları anılarında, Schrödinger'in kitabında ileri sürdüğü fikirlerden etkilendiklerini söyleyeceklerdi.
Shrödinger'in 1944 yılında kitabında ortaya koyduğu öngörüler özellikle son yıllarda bilim dünyasında karşılık bulmaya başladı.
Bilim insanları doğanın ve yaşamın gizemlerini kuantum fiziğiyle çözebileceklerini düşünür oldular.
Canlı yapının anahtarının genlerde kodlanmış bilgi olduğunu anladık; doğayı ve evreni daha farklı algılar olduk.
Şimdi de yaşam bilmecesini çözmeye çalışıyoruz.
Güneç Kıyak
Kaynakça
https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.2912
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1355219804000851
https://homepages.abdn.ac.uk/j.s.reid/pages/Maxwell/Legacy/MaxDemon.html
https://owlcation.com/stem/What-is-Maxwells-Demon-Paradox
https://www.newscientist.com/article/mg23831841-100-how-to-think-about-entropy/
YORUMLAR