Fyysikoiden mukaan epäjärjestyksen määrä kasvaa väistämättä ajan mittaan. Siksi voidaan ennustaa, mitä universumille tapahtuu: lopuksi kaikki on kylmää, elotonta kaasuseosta.
Maan elämän osalta kehitys on kuitenkin kulkenut vastakkaiseen suuntaan. Evoluution tuloksena on syntynyt enemmän ja monimutkaisempia eliöitä. Skaala ulottuu alkeellisista elollisista olioista kehittyneisiin eläimiin ja ihmiseen.
Kuinka elämä voi rikkoa lakia, joka pätee kaikkeen maailmankaikkeudessa?
Epäjärjestys lisääntyy
1. Reagointi lisää entropiaa
Epäjärjestystä voivat lisätä reaktiomahdollisuudet. Erillisissä säiliöissä kaasut ovat hyvin järjestäytyneitä järjestelmiä, mutta jos niiden välinen este poistuu, ne voivat reagoida toistensa kanssa ja muuttua kemiallisesti. Entropia lisääntyy.
2. Ensin kaikkeus oli järjestyksessä
Alkuräjähdyksen jälkeen universumi oli plasmaa, joka oli tasaisen kuumaa ja tiheää. Eristettyjen kaasujen tapaan aineella oli tuskin lainkaan reaktiomahdollisuuksia, ja epäjärjestyksen määrä kasvoi vain hitaasti.
3. Alkuaineet sekoittivat
Ensimmäiset 200 miljoonaa vuotta kaikkeus koostui enimmäkseen vedystä. Kun tähtiä alkoi syntyä, käynnistyi tapahtumasarja, joka johti kaikkien nykyisten alkuaineiden muodostumiseen – ja useampiin aineen olomuotoihin. Epäjärjestyksen määrä kasvoi.
Järjestelmän epäjärjestyksen määrä voidaan määrittää sen mukaan, kuinka monessa mahdollisessa tilassa järjestelmä voi olla. Mitä enemmän mahdollisia tiloja on, sitä suurempi on myös entropiaksi kutsutun epäjärjestyksen määrä.
Tähän mennessä fyysikot eivät ole ottaneet huomioon elämää määrittäessään kaikkeuden epäjärjestyksen kokonaismäärää, sillä eliöissä on mitättömästi hiukkasia.
Neljä tutkijaa on kuitenkin jokin aika sitten laskenut elollisen luonnon mahdolliset tilat. Luku on yllättävän suuri.
Itse asiassa luku on niin suuri, että elämän syntymällä on voinut olla ratkaiseva osuus koko maailmankaikkeuden kehityksessä.
Höyrykoneet kirittivät
Entropian käsite juontuu klassisesta lämpöopista, termodynamiikasta.
Teoria kehitettiin 1800-luvulla käytännön tarpeesta, sillä tavoitteena oli tehdä höyrykoneista tehokkaampia. Fyysikot tajusivat kuitenkin ennen pitkää, että termodynamiikan lait pätivät yleisesti aina ja kaikkialla.
Termodynamiikan toinen pääsääntö on ongelmallinen elämän järjestyksen kannalta. Sen mukaan fyysisen tai kemiallisen järjestelmän entropia eli epäjärjestys pysyy samana tai lisääntyy, kun se saa olla rauhassa.
On yksinkertaisesti mahdotonta, että järjestelmän järjestys lisääntyy niin kuin se on lisääntynyt evoluution myötä maapallolla neljä miljardia vuotta.
Järjestyksen määrän kasvaessa monimutkaisissa eliöissä elämän entropia on ilmeisesti vähentynyt vähentymistään. Rohkean teorian esittäneen tutkijaryhmän mukaan elämän epäjärjestystä tulee tarkastella uudella tavalla.
Ryhmään kuuluu neljä kanadalaisen Perimeterin teoreettisen fysiikan tutkimuskeskuksen ja Seattlessa toimivan yhdysvaltalaisen Systeemibiologian tutkimuskeskuksen fyysikkoa ja biologia.
Tutkimuksessa selvitettiin entropian määrä maailmankaikkeuden 13,8 miljardia vuotta kestäneen olemassaolon aikana.
Alkuräjähdyksen jälkeen universumi oli 380 000 vuotta tulipallo, joka koostui kuumasta plasmasta eli erillisistä protoneista ja elektroneista ja laajeni rajusti. Sekä tiheys että lämpötila olivat jokseenkin samoja kautta avaruuden.
Aluksi aine oli kaikkialla kaikkeudessa hyvin samanlaista ja entropian määrä oli pieni. Tähdet loivat paljon uusia aineen olomuotoja, ja siksi epäjärjestys lisääntyi.
Vastasyntyneen universumin entropia määräytyi siksi ainoastaan atomaaristen hiukkasten kokonaismäärästä ja rajallisesta valikoimasta reaktiomahdollisuuksia.
Sittemmin painovoima on painanut ainetta kokoon kaasusumuissa, tähdissä, galakseissa ja galaksijoukoissa. Kehitys on saanut aikaan uudenlaisia olomuotoja, joissa aine voi esiintyä eri paineessa ja lämpötilassa. Tästä syystä epäjärjestyksen määrä on kasvanut kaikkeudessa huomattavasti.
Elämä lyö pimeän energian
Kosmologian mukaan suurin entropiaa luova tekijä universumissa on pimeäksi energiaksi kutsuttu hypoteettinen hylkivä voima, joka on vaikuttanut viimeiset 5–6 miljardia vuotta yhteen puristavaa painovoimaa vastaan ja kiihdyttänyt maailmankaikkeuden laajenemista.
Pimeä energia aiheuttaa valtavasti entropiaa 10124 mahdollisella tilalla. Tutkijaryhmä esittää kuitenkin, että pienen kotiplaneettamme elämä menee kaiken edelle universumissa yhdistelmämahdollisuuksien suhteen.
1 ja 124 nollaa – niin monta mahdollista tilaa on pimeällä energialla. Elämän entropia on kuitenkin selvästi suurempaa.
Eliöt koostuvat enimmäkseen kuudesta alkuaineesta: hiilestä, vedystä, typestä, hapesta, fosforista ja rikistä. Alkuaineet kerääntyvät suuriksi biologisiksi molekyyleiksi, kuten dna:ksi, jotka sisältävät informaatiota, ja proteiineiksi, jotka ovat kaikkien elämän biokemiallisten prosessien vetojuhtia.
Koko homman pointti on tutkijoiden mukaan siinä, että biomolekyylit voivat esiintyä selvästi useammissa tiloissa ja suorittaa selvästi enemmän prosesseja kuin mainitut kuusi alkuainetta voivat epäorgaanisessa kemiassa. He ovat laskeneet mahdollisten tilojen määräksi 10238.
Elämä luo eniten kaaosta kaikkeudessa
1. Mustat aukot sekoittavat
Mustat aukot pakkaavat suurimman mahdollisen epäjärjestyksen pienimpään mahdolliseen tilaan. Pelkästään Linnunradan superraskaassa mustassa aukossa on enemmän entropiaa kuin nuoressa universumissa oli. Kaiken kaikkiaan mustilla aukoilla on entropiaa 10104 mahdollisen tilan verran.
2. Pimeä energia luo kaaosta
Kosmologian mukaan universumissa piilee runsaasti hylkivää pimeää energiaa, joka vaikuttaa kokoavaa painovoimaa vastaan ja kiihdyttää maailmankaikkeuden laajenemista. Pimeä energia aiheuttaa valtavasti entropiaa 10124 mahdollisella tilalla.
3. Elämä rikkoo rajat
Kun hiili, vety ja muut elämän rakennuspalikat muodostavat monimutkaisia biomolekyylejä, ne voivat reagoida lukemattomilla tavoilla, jotka ovat mahdottomia epäorgaanisessa kemiassa. Uuden teorian mukaan elämä aiheuttaa entropiaa 10238 mahdollisella tilalla.
Lukuisilla yhdistelmämahdollisuuksillaan Maan elämä lisää kaikkeuden entropiaa rajattomasti.
Uusi fysiikan laki ohjaa biologiaa
Klassisessa termodynamiikassa mikään ei rajoita mahdollisten biologisten tilojen määrää, mutta käytännössä evoluutio on tyytynyt vain murto-osaan niistä proteiineista ja biokemiallisista reaktioita, joita elämä voi tarjota.
Tutkijanelikko esittää läheisen mahdollisen teorian (the theory of the adjacent possible) eli oletuksen biologisesta ja termodynaaminen säännöstä.
Lähtökohtana on se, että evoluutio voi mutaatioiden ja suvullisen lisääntymisen kautta valita vain parhaiten sopivat biomolekyylit rakentamaan niitä erikoistuneita soluja ja elimiä, joista erittäin monimutkaiset ja hyvin järjestäytyneet eliöt muodostuvat.
Biologia tarjoaa valtavan määrän mahdollisia molekyylejä, mutta evoluutio on valinnut niistä vain parhaiten sopivat rakentamaan hyvin järjestäytyneitä eliöitä.
Teoria poistaa elämän kehityksen ja termodynamiikan yleispätevien sääntöjen mukaan jatkuvasti kasvavan epäjärjestyksen määrän välisen vastakkaisuuden.
Yhtäältä elävissä eliöissä on tietenkin valtavasti entropiaa kaikkina mahdollisina biomolekyyleinä ja tähtitieteellisenä lukuna tiloja, jotka biomolekyylit voivat saada aikaan reagoimalla keskenään.
Toisaalta evoluutio käyttää kuitenkin hyväksi vain pientä osaa mahdollisuuksista.
Siten elämä täyttää fysiikan vaatimukset jatkuvasti kasvavasta epäjärjestyksen määrästä lisääntyvillä teoreettisilla yhdistelmämahdollisuuksilla, mutta samalla se on äärimmäisen hyvin järjestäytynyttä.
Elämä laajensi universumia
Uusi biologisen termodynamiikan laki tarkoittaa, että elämä rikkoo kaikki tunnetut maailmankaikkeuden kokonaisentropian rajat. Tältä pohjalta tutkijat ovat esittäneet oletuksen, jota he itse pitävät pöyristyttävänä pohdintana (outrageous speculation).
Tähtitieteilijät voivat nähdä maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtyneen 5–6 miljardia vuotta sitten. Kosmologisen selityksen mukaan universumia laajentava pimeä energia löi tuolloin painovoiman, joka pyrkii painamaan kokoon.
Tutkijaryhmä viittaakin siihen mahdollisuuteen, että elämän syntymä vaikutti tavalla tai toisella pimeään energiaan.
Oletusta puoltaa ajallinen yhteensopivuus. Maan elämä juontuu melkein neljän miljardin vuoden takaa, mutta jos elämää esiintyy laajasti galakseissa, on todennäköistä, että sitä on syntynyt muualla aiemmin kuin maapallolla.
Tähtien ja samalla planeettojen muodostumisen huippukausi oli maailmankaikkeudessa kymmenen miljardia vuotta sitten. Niinpä elämää saattoi syntyä monessa paikassa ja niin varhain, että sillä oli vaikutusta pimeään energiaan juuri 5–6 miljardia vuotta sitten.
Tutkijanelikko sanoo suoraan ja peittelemättä, ettei todisteita oletuksen tueksi ole olemassa. Jos tutkijat ovat osuneet arvauksessaan oikeaan, he ovat mullistaneet biologian ja tähtitieteen suhteen ja perustaneet uuden tieteenalan: biokosmologian.