The growth and development of living organisms from the thermodynamic point of view

Dit artikel past Prigogine's thermodynamica toe op levende organismen als open systemen om een wet voor individuele groei en ontwikkeling te formuleren en toont aan dat de specifieke entropie afneemt in de evolutionaire reeks van gist tot vogels.

De kern

Leven als een Thermodynamisch Bouwproject: Een Simpele Uitleg

Stel je voor dat een levend wezen, of het nu een gistcel, een kikkervisje of een mens is, niet als een statisch object, maar als een actieve bouwplaats die nooit stopt. Dit artikel van Alexei Zotin en Vladimir Pokrovskii bekijkt hoe deze bouwplaats werkt door de bril van de thermodynamica (de wetten van energie en warmte).

Hier is de kern van hun ontdekking, vertaald naar alledaags taalgebruik:

1. Het Levende Wezen als een Open Huis

In de natuurkunde zijn veel dingen gesloten systemen (zoals een thermosfles). Maar een levend wezen is een open huis. Het staat altijd open voor de buitenwereld: het haalt voedsel (energie) binnen en geeft warmte en afvalstoffen af.

De auteurs gebruiken de theorie van Ilya Prigogine. Die theorie zegt: "Als je een systeem open houdt, kan het orde scheppen uit chaos, zolang er maar energie stroomt." Een levend wezen is dus een systeem dat constant in beweging is en nooit helemaal tot rust komt.

2. De Drie Teams van 'Bouwmaterialen'

Het artikel introduceert een slim idee om alle processen in een lichaam te begrijpen. Ze verdelen de 'interne variabelen' (de bouwstenen en plannen) in drie groepen, gebaseerd op hoe snel ze veranderen:

• Team 1: Het Hoofdbureau (Het DNA)
  Dit is het erfelijke programma. Het is als het architectenplan dat in de kelder van elke cel ligt. Het verandert bijna niet tijdens het leven van het organisme. Het zorgt ervoor dat de bouw volgens plan verloopt en dat het huis (het lichaam) zichzelf reguleert (homeostase). Als het buiten warm wordt, geeft dit team de opdracht om te zweten, zodat de temperatuur binnen stabiel blijft.
• Team 2: De Vaste Constructie (Organen en Weefsels)
  Dit zijn de muren, de ramen en de leidingen die je bouwt. Denk aan je hart, je longen of de vleugels van een vogel. Deze structuren zijn stabiel, maar ze kosten energie om te bouwen. Ze bestaan zo lang als het organisme zelf. Ze zijn de 'metastabiele' structuur: ze zijn niet in evenwicht met de natuur, maar ze blijven wel staan zolang het plan (Team 1) werkt.
• Team 3: De Snelle Werkers (Chemische Reacties)
  Dit zijn de duizenden kleine chemische reacties die elke seconde plaatsvinden. Ze veranderen razendsnel. Ze zijn als de bouwvakkers die snel materiaal verplaatsen en weer verdwijnen. Deze groep zorgt voor de warmte die je voelt. Als je lichaam werkt, ontstaan er hier kleine onrustjes die direct weer tot rust komen, waarbij energie als warmte vrijkomt.

3. De Grootte van de Bouw: De "Psi-Functie"

De auteurs ontdekken een mooie wetmatigheid voor groei.
Stel je voor dat je een bouwproject hebt:

• Je krijgt energie binnen via voedsel (de stroom van bouwmaterialen).
• Je geeft warmte af (de afvalwarmte van de machines).

Als je meer energie binnenkrijgt dan je als warmte verliest, dan heb je 'overschot'. Dit overschot wordt gebruikt om nieuwe structuur te bouwen (Team 2). Dit noemen ze de $\psi_u$-functie.

De wet is simpel:

Groei = (Inkomende Energie - Uitgaande Warmte) + Een constante factor.

Als de energie-inname en warmte-afgifte precies in balans zijn, stopt de groei. Je bent dan een volwassen dier dat in een stabiele staat verkeert. Maar zolang er een klein verschil is, groeit het organisme.

4. De Entropie: De Maatstaf voor 'Chaos'

In de natuurkunde is entropie een maat voor wanorde. Hoe meer entropie, hoe chaotischer iets is.

• Een dood lichaam heeft hoge entropie (het is in evenwicht met de omgeving, het is 'rustig' en chaotisch).
• Een levend wezen heeft lage entropie. Het is geordend, complex en gestructureerd.

De auteurs berekenden de specifieke entropie (de wanorde per gram lichaamsgewicht) voor verschillende soorten. Ze vonden iets fascinerends:

• Gist (eencellig): Hoge entropie (minder complex).
• Insecten: Minder entropie.
• Reptielen: Nog minder.
• Vogels: De laagste entropie (zeer complex en geordend).

De conclusie: In de loop van de evolutie zijn organismen steeds complexer geworden. Ze zijn erin geslaagd om hun interne 'wanorde' (entropie) per gram lichaam te verlagen. Ze zijn efficiëntere 'energie-opslag-systemen' geworden.

5. Samenvatting in Metafoor

Stel je een levend wezen voor als een fietser die bergop rijdt:

• De energie die hij eet, is de kracht van zijn spieren.
• De warmte die hij afgeeft, is het zweten en de hitte van de ketting.
• De groei is het feit dat hij steeds zwaarder wordt (of zijn fiets groter maakt) terwijl hij rijdt.

De auteurs zeggen: "Zolang de fietser meer kracht levert dan hij als hitte verliest, kan hij zijn fiets groter maken." En hoe geavanceerder de fietser is (van een eencellige gist tot een vogel), hoe beter hij die energie kan omzetten in een complexe, geordende machine met minder 'verspilling' per eenheid gewicht.

Kortom: Dit artikel laat zien dat groei en ontwikkeling niet alleen biologisch, maar ook fundamenteel thermodynamisch zijn. Levende wezens zijn meesterbouwers die energie gebruiken om hun eigen complexiteit te vergroten en hun interne chaos te verminderen, allemaal volgens een strak, erfelijk bouwplan.

Technische samenvatting

Hier is een gedetailleerde technische samenvatting van het artikel "The growth and development of living organisms from the thermodynamic point of view" van Alexei A. Zotin en Vladimir N. Pokrovskii, weergegeven in het Nederlands.

Titel: De groei en ontwikkeling van levende organismen vanuit thermodynamisch oogpunt

1. Probleemstelling

De auteurs stellen de vraag hoe de groei en ontwikkeling (ontogenese) van levende organismen thermodynamisch kunnen worden beschreven. Traditionele benaderingen behandelen organismen vaak als open systemen in een niet-evenwichtstoestand, maar de specifieke rol van interne controlemechanismen (zoals genetische programma's en homeostase) in de thermodynamische vergelijkingen is vaak onduidelijk.
Het centrale probleem is het formuleren van een exacte relatie tussen de energiestromen (invoer vs. warmteproductie) en de groeisnelheid van het organisme, rekening houdend met het feit dat organismen functioneren onder een intern programma dat de interne toestand stabiel probeert te houden (homeostase), in tegenstelling tot eenvoudige chemische reactiesystemen (zoals de Brusselator).

2. Methodologie

De auteurs hanteren de thermodynamische theorie voor open systemen, zoals ontwikkeld door Ilya Prigogine. De methode omvat de volgende stappen:

• Definitie van het systeem: Het levende organisme wordt beschouwd als een open thermodynamisch systeem met variabele massa ($M$) en temperatuur ($T$), bestaande uit chemische verbindingen.
• Entropiebalans: Er wordt een vergelijking opgesteld voor de verandering in entropie ($S$) van het systeem. Deze vergelijking omvat drie termen:
  1. Warmtestroom ($\Delta Q$).
  2. Energie uitwisseling met deeltjesstromen ($\eta_\alpha \Delta N_\alpha$).
  3. Verandering in opgeslagen energie door interne variabelen ($\Xi_j \Delta \xi_j$).
• Classificatie van interne variabelen: Een cruciale innovatie is het indelen van de enorme hoeveelheid interne variabelen ($\xi_i$) in drie groepen op basis van hun relaxatietijden:
  1. Groep 1 (Genetisch/Controlerend): Variabelen gerelateerd aan DNA en erfelijke instructies. Deze hebben een zeer lange relaxatietijd (levenlang) en fungeren als het "programma" dat de groei en structuur controleert. Ze dragen niet bij aan dissipatie.
  2. Groep 2 (Structureel/Metastabiel): Variabelen die de organen en weefsels beschrijven (metastabiele structuren). Deze hebben een relaxatietijd vergelijkbaar met de levensduur en zorgen voor de complexe structuur zonder directe entropieproductie.
  3. Groep 3 (Dynamisch/Dissipatief): Variabelen die gradiënten in temperatuur, concentratie en de voortgang van chemische reacties beschrijven. Deze hebben zeer korte relaxatietijden en zijn verantwoordelijk voor de dissipatie van energie (warmteproductie) en de interne entropieproductie.
• Formulering van de groeivergelijking: Door de balansvergelijkingen te combineren met de definitie van de $\Psi_u$-functie (het verschil tussen ingaande energiestroom en warmteproductie), wordt een thermodynamische vergelijking voor de groeisnelheid afgeleid.
• Empirische validatie: De theorie wordt getoetst aan experimentele data van diverse soorten (gist, sprinkhanenlarven, hagedisembryo's, kippenembryo's) waarbij zowel directe calorimetrie (warmteproductie) als indirecte calorimetrie (zuurstofconsumptie) is gebruikt.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Integratie van controlemechanismen: De auteurs slagen erin het concept van een "intern programma" (homeostase en ontwikkeling) te integreren in de thermodynamica door het onderscheid te maken tussen interne variabelen met lange relaxatietijden (structuur/programma) en korte relaxatietijden (dissipatie).
• De thermodynamische groeivergelijking: Ze formuleren een nieuwe vergelijking voor de specifieke groeisnelheid:
  $$\frac{1}{M} \frac{dM}{dt} = \sigma + \kappa \psi_u$$
  Waarbij:
  • $\psi_u$ de specifieke $\Psi_u$-functie is (netto energie beschikbaar voor groei).
  • $\sigma$ een constante is gerelateerd aan de verandering in specifieke entropie.
  • $\kappa$ een coëfficiënt is die afhankelijk is van temperatuur en entropie.
• Definitie van specifieke entropie: Ze introduceren de specifieke entropie ($S/M$) als een fundamentele thermodynamische eigenschap van het organisme, die correleert met de complexiteit van het systeem.

4. Resultaten

• Lineaire relatie: De experimentele data tonen een significante lineaire correlatie tussen de specifieke groeisnelheid en de $\Psi_u$-functie, wat de geldigheid van de afgeleide vergelijking bevestigt.
• Constante specifieke entropie: De analyse suggereert dat de parameter $\sigma$ (de verandering in specifieke entropie) statistisch niet significant verschilt van nul. Dit impliceert dat de specifieke entropie ($S/M$) tijdens de groei en ontwikkeling van het organisme constant blijft.
• Evolutionaire trend: De berekende waarden voor de specifieke entropie tonen een duidelijke daling in de evolutionaire reeks:
  • Gist (Saccharomyces cerevisiae): ~365.000 J/g·K
  • Sprinkhanenlarven (Acheta domestica): ~4.400 J/g·K
  • Hagedisembryo's (Lacerta agilis): ~3.350 J/g·K
  • Kippenembryo's (Gallus domesticus): ~300 J/g·K
• Interpretatie: Een lagere specifieke entropie correspondeert met een hogere mate van complexiteit en georganiseerde structuur. De evolutie van organismen gaat dus gepaard met een afname van de specifieke entropie.

5. Betekenis en Conclusie

De studie biedt een fundamenteel thermodynamisch raamwerk voor het begrijpen van biologische groei. De belangrijkste conclusies zijn:

1. Thermodynamica en Biologie: Levende organismen kunnen succesvol worden beschreven als open systemen waarbij de interne controle (genetica) en de dissipatie van energie (warmte) strikt gescheiden maar functioneel verbonden zijn via interne variabelen.
2. Entropie als maatstaf voor complexiteit: De specifieke entropie wordt voorgesteld als een kwantitatieve maat voor de complexiteit van een organisme. De afname van specifieke entropie tijdens de evolutie bevestigt dat complexere organismen (zoals vogels en zoogdieren) thermodynamisch gezien "geordender" zijn dan eenvoudigere organismen (zoals gist).
3. Universele groeilaag: De gevonden vergelijkingen lijken universeel te zijn voor verschillende taxonomische groepen, van micro-organismen tot gewervelden, wat suggereert dat er fundamentele thermodynamische wetten bestaan die de ontwikkeling van het leven sturen.

De auteurs concluderen dat de specifieke entropie een individueel kenmerk van een organisme is dat tijdens de levensduur constant blijft, en dat de evolutie een proces is van toenemende complexiteit en afnemende specifieke entropie.