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Somos um fluxo de energia
Uma análise da vida sob a ótica da Termodinâmica. A apresentação dos conceitos de entropia termodinâmica e como a vida ocorre em meio aos maiores processos de transferência de energia da Terra e do sistema solar.
Vida e Termodinâmica
De um leigo para outros leigos.
Somos um fluxo de energia
Com esta primeira frase, que escrevo propositalmente como “new age” de forma bombástica, espero apresentar os conceitos que passarei neste pequeno e humilde texto.
Vamos primeiro considerar que não sabemos a origem dos seres vivos, nem suas modificações possíveis no tempo, nem mesmo suas mais complexas relações, nem mesmo seus mais sofisticados mecanismos internos e muito menos alguns sistemas ecológicos que dependem mais de determinadas fontes de energia, que como veremos, no quadro mais amplo, nenhuma diferença fazem no contexto do que seja vida dentro do panorama que apresentaremos.
Perdoem quando alguns dos conceitos e observações apresentadas parecerem extremamente até infantis. Fiquem tranqüilos os mais sedentos por informações, pois ao avançar de nosso pueril texto, veremos que as coisas poderão ser bastante mais sofisticadas que inicialmente se apresentam.
Primeiramente, vamos considerar a principal fonte de energia da Terra, pois consideraremos que só existe vida que podemos analisar neste planeta, já que neste ensaio, estamos mais interessados num pé de alface e numa vaca que nas possíveis formas de vida pelo universo.
Observemos que o Sol dista cento e cinqüenta milhões de quilômetros médios da Terra, e mesmo à esta distância, sobre a superfície de uma esfera de menos de sete mil quilômetros de diâmetro, recebemos a quantidade de energia deste astro que um período curto de exposição a tal poder eleva nossa temperatura até o nível do insuportável.
Definidos estes pontos simples e elementares ao mais desatento observador dos fenômenos da natureza, consideremos uma primeira hipótese, que desencadeará todo o conjunto de evidências que pretendo tornem a definição do que temos de ter como o que seja vida pelaTermodinâmica da forma mais clara e simples possível.
Imaginemos que não houvesse vida alguma sobre a Terra, ainda sim a quantidade de energia do Sol seria intensa o suficiente para elevar a temperatura dos materiais, que por hora chamaremos de inorgânico, tal como evidenciamos em qualquer basalto em qualquer calçada e o calor deste se perderia para o ambiente à noite, como qualquer pessoa percebe no esfriamento de qualquer xícara de café.
Deste conceito observável no diário, de que os corpos quentes sempre perdem calor para o ambiente, nasce conceituação muito mais sofisticada na Física, e das questões mais gerais e profundas da natureza, a tal ponto que muitas das consequências do estudo de tal questão resultam até em questões sofisticadas como a Cosmologia, mais abrangente das Ciências, e conceituações sobre questões outrora ligadas mais a Filosofia do que às Ciências, tais como o que seja o tempo.
Estamos falando da Entropia, tão cara a “alguns de nossos amigos”.
Esperemos um pouco por hora e abordemos outro ponto.
Como qualquer criança aprende muito cedo, não podemos realizar esforços ilimitadamente, pois cansamos, fogueiras esgotam seu combustível, os carros tem de ser reabastecidos, etc.
Tudo simplesmente porque a quantidade de energia de qualquer sistema, ao que tudo indica, é limitada. Seja nosso Sol, sejam os combustíveis, seja o alimento que ingerimos, tudo tem uma quantidade máxima de energia para fornecer.
Esta característica universal da energia ser conservativa e limitada sobre todos os ângulos possíveis de análise, definimos como Princípio Universal da Conservação da Energia, sendo uma das afirmações mais confiáveis em Ciências por nós conhecida.
De tal princípio derivam os conceitos, já conhecidos anteriormente, da Lei da Conservação da Energia Mecânica Newtoniana, que diz: o somatório das energias de um sistema é constante. Assim como também a Lei da Conservação das Massas de Lavoisier (celebrado com o popular“Na Natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma.”), que conjuntamente com aTeoria Geral da Relatividade, resulta: num sistema isolado a energia relativística (massa-energia) total é conservada, quando medida em qualquer sistema inercial dado.
Em Termodinâmica tal princípio é tratado especificamente como Primeira Lei da Termodinâmica resulta e é tratado quantitativamente por:
A variação da Energia Interna é igual a Variação da Quantidade de Calor mais o Trabalho Realizado (sobre o Sistema).
Chegando na Primeira Lei da Termodinâmica, voltemos à que é chamada de Segunda:
“É impossível qualquer processo que envolva nada mais do que a transferência de calor de um corpo frio para outro quente.” (Enunciado de Clausius).
Ou:
“Não é possível qualquer processo no qual ocorra apenas a conversão de energia térmica de um único reservatório em trabalho macroscópico.” (Enunciado de Kelvin-Planck)
Ou simplesmente: “Calor sempre tendencialmente passa de um corpo mais quente para outro mais frio.”
Mais uma vez, estabelecida a passagem de uma abordagem leiga para um tratamento mais formal da questão, guardemos na memória o apresentado por hora e voltemos a nós, reles seres vivos sob o Sol.
Emitida a radiação pelo Sol, esta gera calor sobre a Terra, mas não somente isso, pois a radiação se manifesta em diversas frequências e como pode-se ver na mais simples chapa fotográfica ou colorido dos pigmentos de qualquer tinta, causam alterações químicas, sempre na direção dos compostos mais estáveis sob esta radiação (como um próprio limitar para o revelar de uma chapa fotográfica como o descolorir de um pigmento o demonstra). Logo, havendo o conjunto de substâncias adequado, tendo calor ou tendo radiação, haverá a ocorrência de reações químicas.
Consideremos mais uma vez um mundo sem seres vivos de espécie alguma. Consideremos que embora pequeno, nosso planetinha insignificante possui quantidades gigantescas de materiais e astronômico número de moléculas. Mesmo que combinações mais exóticas e complexas sejam raras e dependam do acaso, lembremo-nos que o Sol permanentemente provê energia, sem contar os meteorologismos (raios) e os vulcanismos, sendo que os primeiros são conseqüência também da energia do Sol, enquanto os segundos são completamente independentes dele. Deste modo, acaso ao acaso as moléculas se combinam, se decompõe, se recombinam e esporadicamente, formam moléculas que não se decompõe tão facilmente e estas continuam ao acaso se recombinando.
Agora, numa desonestidade intelectual clara, mas nem por isso desembasada, darei um salto e teremos de supor que uma destas moléculas, em meio à inúmeras outras moléculas e até associada com estas, consiga, neste recebimento permanente e abundante de energia, não mais se decompor ou aumentar de tamanho em estruturas mais complexas, mas sim se reproduzir. Está formada a primeira molécula autorreplicante, e esta, configurada numa associação de outras moléculas, formará um conjunto, que por mais simples e instável que seja, é uma primeira célula e como óbvio, um primeiro organismo.
Havendo a abundância de componentes (mas lembremo-nos que o suprimento de energia é um fluxo relativamente constante, mas a quantidade de moléculas adequadas, não), este organismo se reproduzirá até agregar em sua população toda a matéria aproveitável disponível e aí chegará a um equilíbrio entre reprodução, absorção e decomposição, sempre propiciada pelo fluxo de energia do Sol (e outros).
Como é da natureza de todos os compostos químicos a instabilidade, mesmo nos períodos de tempo mais longos, ainda mais com ação constante de energia, é de se aceitar a obviedade que a reprodução não se dará com exatidão permanente, ainda mais com populações de escala geológica e ainda mais que determinadas fontes de radiação de alta energia não são oriundas somente do Sol e sim dos bilhões de bilhões de suas estrelas irmãs, como observa-se de maneira cabal ao se olhar para nossa noite.
Podemos no momento desprezar o conceito um tanto mais complexo de que elementos e substâncias da geologia, e portanto do ambiente, também colaboram para a ocorrência de erros.
Definidos que os erros são inexoráveis, devido ao próprio contexto geral da matéria na Terra e ao próprio Universo, consideraremos que inúmeros destes erros apenas causarão, e agora já podemos usar o termo morte, decomposição dos conjuntos de moléculas que formam tais seres simplíssimos, mas não sempre. Ocasionalmente, e temos de entender que a escala é global, alguns dos erros propiciam alguma vantagem em relação ao meio, tal como uma mais rápida cadeia de reações, uma melhor reprodução, uma mais fácil absorção das moléculas nutrientes, um melhor aproveitamento de energia do Sol e outras.
Chegamos, por passos curtos e seguros, aos princípios básicos e iniciais do processo evolutivo. Agora, de erro em erro, inexoravelmente, passaremos por “erros favoráveis” que nos levarão, sob a luz do Sol, de simples células a conjuntos complexos de células trabalhando em conjunto, inclusive passando por células que não apenas aproveitam reações geológicas e decomposições de células alheias e suas moléculas, mas por meio de moléculas simples em meio a moléculas adequadas, frutos também, de erros favoráveis, tomam moléculas do ambiente e produzem suas próprias moléculas úteis e independem agora de moléculas de células alheias. Temos os primeiros organismos fotossintetizantes, e destes, teremos todas as plantas.
Notemos que as plantas foram beneficiadas pelo acaso e pela abundância de recursos e energia.
Mas havendo produção de algo, podemos ter que outra coisa sobre como resíduo, e afotossíntese tem como preço a produção de corrosivo e reativo gás como subproduto, ooxigênio. Mas não tardaria o permanente fluxo de energia e erros a produzir um organismo que aproveitaria tal reagente e realizaria violentas reações produzindo calor, mais uma vez um fluxo de energia, decompondo de maneira inteiramente nova as mais diversas substâncias. Não tardaria também a ocorrência de erros que levaria ao surgimento de organismos que decomporiam as substâncias produzidas pelas plantas e pelos outros organismos. Temos então uma primeira geração de herbívoros e de predadores.
Perdoem-me, mas após tal exercício de desonestidade, de forçar argumentos evolucionistas, cheguei onde queria, que é a vaca que invade a horta do vizinho e come seus deliciosos pés de alface, e ao primeiro churrasco de confraternização, é carneada.
Notemos que o sol propiciou a energia, que produziu moléculas na alface, que virou carne na vaca, que por sua vez virou carne nos banqueteiros. Os átomos que formavam o pé de alface estavam no sistema solar e na Terra há milhões de anos, assim como os da vaca, igualmente os dos banqueteiros.Nota 1 Desprezemos o papel dos organismos decompositores e outros, pois assuntos desagradáveis deste tipo são do gosto dos Biólogos e acredito que não de todos nós. Já nos basta as limpas alfaces, as simpáticas vacas (para infelicidade das alfaces) e os felizes banqueteiros (para infelicidade das vacas).
O que passou de um para outro, independente da quantidade de átomos que sempre esteve aí, praticamente?
A quantidade de energia cedida pelo Sol, milhões de anos atrás e que formou as mais elementares moléculas orgânicas, depois as bioquímicas, destas os primeiros organismos, e o processo evolutivo posterior. Todos os seres vivos estão em permanente troca de moléculas (logo de átomos) com o meio ambiente, incluindo outros seres vivos, mas mais do que tudo, deenergia, mesmo quando ela se “oculta” nas mais duradouras estruturas químicas.
Agora, voltemos à formal e entediante Termodinâmica.
Pelo Princípio da Conservação da Energia já sabemos, aliás o que pouco interessa no momento, que nosso sistema solar tem um total de energia constante, que está sendo disperso pelo Universo e exatamente pela Entropia, permanentemente se perdendo e não podendo retornar ao nosso sistema.
Todos os seres vivos, em menor ou maior grau, produzem calor em suas reações, que se perde para o ambiente, e mesmo que até muitas de suas reações absorvam calor do ambiente, mais cedo ou mais tarde decomposições e outras reações perderão esta energia para o ambiente. Aqui entra o fluxo constante de energia do Sol. Estamos perdendo energia para o ambiente, e o ambiente (que nos inclui) para o frio espaço infinito, mas o Sol continua a nos prover. Portanto, continuamos sendo um fluxo de energia do Sol para a Terra, nos seres vivos, dos seres vivos entre si e deste para o Universo. Somos portanto, um momento de organização instável, que se auto-multiplica, entre a chegada da energia à Terra e a sua perda para o espaço. Estamos, pois, num “sistema de equilíbrio dinâmico”.
Temos de considerar também, que havendo o fornecimento de energia, podemos ter sistemas de organismos vivos em vulcanismos e no calor geotérmico de variados tipos, tal como hoje evidenciamos em sistemas ecológicos submarinos. Podemos considerar que os vírus não tem metabolismo, mas têm mecanismos de reação que propiciam sua multiplicação que na verdade são modificações das reproduções celulares, mas percebamos, independentemente destes quadros específicos, que de forma algumas deixamos de evidenciar que a energia propicia reações químicas entre moléculas adequadas, que são aproveitadas em outras reações químicas, num ciclo permanente e evolutivo, pois se modifica no tempo, procura manter sua organização relativa, mesmo com erros, que alguns modificações favoráveis propiciam, mas sem deixar de ser nunca o que como seres vivos todos somos: um fluxo de energia.
Sistemas ecológicos hidrotermais submarinos, visão externa e um corte de uma das “chaminés”.
(web.uvic.ca e nsf.gov)
Originalmente publicado em: Linha de Frente Evolucionista
Notas
Notas
Nota 1: Os átomos, primeiramente em seus núcleos, são formados nos primeiros instantes da expansão do universo, no que se chama nucleossíntese primordial, quando se formam o hidrogênio e o hélio, e mais um tanto de lítio, e nos processos de fusão estelar até o ferro. A partir do ferro, os núcleos mais pesados são formados nas explosões de estrelas, as chamadas “supernovas“.
Sugestões de leitura
Sugestões de leitura
Artigo sobre esta obra fundamental na Wikipédia em inglês
Marek Roland-Mieszkowski; Life on Earth – Flow of Energy and Entropy
Dr M Reza Ghadiri; Self-Replicating Molecules and the Meaning of Life
Julian F. Derry (2004). “Book Review: What Is Life? By Erwin Schrödinger”. Human Nature Review.
ISAAC ASIMOV; Vida e Energia – Bases Físicas e Químicas da Biologia Moderna; Ed. Bestseller, 1965.
Entropy and life - Wikipédia (inglês)
Schneider, E. and Sagan, D. (2005). Into the Cool: Energy Flow, Thermodynamics, and Life. University of Chicago Press, Chicago. – www.intothecool.com
Georgi P. Gladyshev; On Thermodynamics, Entropy and Evolution of Biological Systems: What Is Life from a Physical Chemist’s Viewpoint; Entropy 1999, 1, 9-20
Werner Ebeling & Michail V. Volkenstein; Entropy and the evolution of biological information;Physica A: Statistical and Theoretical Physics; Volume 163, Issue 1, 1 February 1990, Pages 398-402; doi:10.1016/0378-4371(90)90347-U
Charles J. Smith; Problems with entropy in biology; Biosystems; Volume 7, Issue 2, October 1975, Pages 259-265; doi:10.1016/0303-2647(75)90033-7
Satindranath Banerjee, Peter R. Sibbald and Jack Maze; Quantifying the dynamics of order and organization in biological systems; Journal of Theoretical Biology; Volume 143, Issue 1, 8 March 1990, Pages 91-112; doi:10.1016/S0022-5193(05)80290-5
T. B. Fowler; Computation as a thermodynamic process applied to biological systems;International Journal of Bio-Medical Computing; Volume 10, Issue 6, November 1979, Pages 477-489; doi:10.1016/0020-7101(79)90029-1
USGS; Exploring the deep ocean floor: Hot springs and strange creatures
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Quem (realmente) somos nós – II
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Uma panorâmica do pseudo-argumento dos criacionistas sobre a entropia
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