Welche Beziehung besteht zwischen dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und der Evolution?

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik gilt nur für geschlossene Systeme. Die Erde ist ein offenes System (da sie ständig Energie von der Sonne erhält), daher gilt der 2. Hauptsatz nicht für die Evolution, und die Zunahme der Komplexität verstößt gegen keine Gesetze.

Der Fehler in dieser Argumentation ergibt sich aus der Tatsache, dass Sie einen kleinen Teil des Systems (die Biosphäre) inspizieren und die Gesamtentropie im System ignorieren. Alle biologischen Prozesse, von denen, die in Bakterien (oder bei mehrzelligen Organismen Mitochondrien) vorhanden sind, bis zum Feuern von Neuronen im menschlichen Gehirn, erhöhen die Gesamtentropie des Systems.

Meines Wissens ist die Beziehung zwischen dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und der Evolution nicht so interessant, wie man hoffen könnte.

Erstens spricht die Evolution nicht gegen das zweite Gesetz, wie in den anderen Antworten erwähnt, aus dem einfachen Grund, dass Lebenssysteme von Sonnenenergie angetrieben werden, oder im Fall einiger Tiefseelebewesen wie der Mikroben und Röhrenwürmer, die unter Wasser gedeihen vulkanische "Raucher", sie werden durch chemische Energie und Hochtemperaturwärme aus dem vulkanischen Material in eine eisige Abgrundumgebung mit niedriger Temperatur getrieben. Ein gutes Beispiel dafür ist die Antwort von Michael Brown zum Kristallwachstum .

Tatsächlich würde ich noch weiter gehen und sagen, dass eine Beziehung zwischen dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und der Evolution des Lebens auf der Erde darin besteht, dass ich letzteres denke, wenn Sie es als ein großes Experiment oder eine große Simulation im Sinne von Douglas betrachten Adams' Earth-Designed-By-Deep-Thought liefert eine starke Unterstützung für das zweite Gesetz, vielleicht der stärkste experimentelle Beweis, den wir haben:

Es gibt keine biologischen Perpetuum mobile der zweiten Art, und das ist ein extrem starkes experimentelles Nullergebnis

Nach 3 Milliarden (und wahrscheinlich eher 4 Milliarden) Jahren der Evolution sind die grundlegenden Kraftwerke, die das Leben antreiben (Photosynthese, mitochondriale ATP-Produktion aus chemischer Energie, die von den Zellen aufgenommen wird, usw.), wo immer Biologen hinschauen, gut verstanden und mit ziemlicher Sicherheit universell. Es scheint mir, dass, wenn es einen Weg gibt, den zweiten Hauptsatz durch biologische Nanomaschinen zu umgehen (insbesondere mit einer Variation des Szilard-Motors, da das in meiner Fußnote zitierte Experiment zeigt, wie es auf biologische Systeme skalieren kann), die Evolution es mit ziemlicher Sicherheit getan hätte es inzwischen gefunden hätte, und dieser gegen das zweite Gesetz verstoßende Prozess würde alle Bedürfnisse der Kreaturen erfüllen, die es entwickelt haben. Man könnte sich vorstellen, dass solche Kreaturen in der Biosphäre schnell völlig dominant werden und alles andere beiseite fegen würden. Aber das ist noch nicht passiert, Obwohl ich glaube, dass es ein Tier gibt, das wahnhaft glaubt, dass alle seine Bedürfnisse kostenlos aus der Umwelt gedeckt werden können, und genau das scheint das Tier der Biosphäre um es herum zu tun, also haben wir einige anekdotische Experimente, die zeigen, wie a das zweite Gesetz verletzende Tier sich verhalten könnte und wie es die Biosphäre beeinflussen könnte. Und doch verwenden alle Geschöpfe nach all dieser Lebenszeit auf der Erde energieableitende Prozesse in Übereinstimmung mit dem zweiten Hauptsatz. In der Tat scheint das seltsame Leben (Röhrenwürmer und dergleichen), das in den letzten Jahrzehnten um "Vulkanraucher" tief im Ozean entdeckt wurde, fast poetisch Carnots Gedankenexperiment zu huldigen, das Arbeit aus Hitze und chemischem Potenzial zieht, die aus ihnen herausbrechen zentraler, heißer lebensspendender "Raucher"

Ein Teil Ihrer Frage scheint zu sein, kann das Konzept der evolutionären Fitness unabhängig vom Konzept der Entropie sinnvoll sein? Oder könnten wir eine Evolution haben, wenn der zweite Hauptsatz nicht gelten würde? Evolution und Entropie sind sicherlich verwandt: Sie können keine Evolution ohne Minimierung der Entropie von Organismen haben (natürlich angetrieben von der Sonne oder vulkanischen Rauchern, wie oben erwähnt, so dass die Entropie des Gesamtsystems immer noch zunimmt). Um dies zu verstehen, stellen Sie sich die Evolution als eine Suche nach geeigneten Kreaturen innerhalb eines kolossalen „Kreaturen“-Konfigurationsraums vor: Natürliche Selektion beschränkt die funktionsfähigen Kreaturen auf winzige Nachbarschaften in diesem Konfigurationsraum: Wenn Sie sich vorstellen, eine Population von Kreaturen zu untersuchen und ihre DNA zu sequenzieren und Ausarbeitung einer Schätzung dafür, wie viele Bits pro Kreatur diese Kreatur innerhalb der Population definiert, es wird ein winziger Bruchteil der Anzahl von Bits sein, die in der genetischen Sequenz jeder Kreatur kodiert werden können. Aber ich denke, das ist unabhängig davon, ob eine Abnahme der Entropie der Kreatur Arbeit erfordert oder nicht, wie es der zweite Hauptsatz der Thermodynamik verlangt.

Fußnote: Ein Experiment, bei dem ein funktionierender Maxwell-Daemon tatsächlich gebaut und im Labor getestet wurde, ist beschrieben in:

Shoichi Toyabe; Takahiro Sagawa; Masahito Ueda; Eiro Muneyuki; Masaki Sano (2010-09-29). "Informationswärmemaschine: Umwandlung von Informationen in Energie durch Rückkopplungssteuerung". Naturphysik 6 (12): 988–992. arXiv:1009.5287. Bibcode:2011NatPh...6..988T. doi:10.1038/nphys1821. "Wir haben gezeigt, dass freie Energie durch eine Rückkopplungssteuerung unter Verwendung der Informationen über das System erhalten wird; Informationen werden in freie Energie umgewandelt, als erste Realisierung des Maxwell-Dämons vom Szilard-Typ."