Livet bekjemper entropi med intelligent design
Evolution News, 8. juni 2021. Oversatt herfra

Ingeniører vet at de ikke kan eliminere entropi når de gjør arbeid eller beregning, men de finner smarte måter å minimere det på - som, slik livet gjør.
La oss først huske at entropi er en uunngåelig kostnad ved å gjøre noe nyttig. Levende ting kjemper mot dette hele tiden. En artikkel i PNAS av Dominic J. Skinner og Jörn Dunkel forklarer -lenke:
"Termodynamiske lover plasserer grunnleggende grenser for effektiviteten og egnetheten til levende systemer. For å opprettholde cellulær orden og utføre essensielle biologiske funksjoner som sansning, signalering, replikasjon eller bevegelse, forbruker organismer energi og varme forsvinner. Ved å gjøre dette øker de entropien i miljøet, i samsvar med den andre loven om termodynamikk."

Bilde 1. Bakgerieflagell-deler

Selv tenkning øker entropi, fordi hjernen, som drives av poteter (som A. E. Wilder-Smith pleide å fleipe), sender elektriske impulser og nevrotransmittere langs nevroner og synapser. Det krever arbeid (w = f x d: arbeid er kraft*vei). Arbeid krever energi; Energi øker nødvendigvis entropi.
Forfatterne forsøkte å finne bedre måter å måle entropiproduksjonen i levende systemer. Hvis ingeniører ønsker å maksimere effektiviteten til designede systemer, må de kunne måle det. I praksis er for mange variabler skjult selv i en enkel molekylær maskin. For å møte utfordringen introduserte de en ny tilnærming for å måle grenser for entropi-produksjon, og prøvde den på tre molekylære prosesser:
"For å bidra til å overvinne disse begrensningene, introduserer vi her et generisk optimaliseringsramme som kan gi betydelig forbedrede grenser for entropiproduksjonen i levende systemer. Vi vil bevise at disse grensene er optimale gitt visse målbare statistikker. Fra et praktisk perspektiv krever metoden vår observasjoner av bare noen få grovkornede tilstandsvariabler av et ellers skjult Markov-nettverk. Vi demonstrerer den praktiske nytten ved å bestemme forbedrede entropi-produksjonsgrenser for bakterielle flagellasmotorer, voksende mikrotubuler og kalsiumsvingninger i humane embryonale nyreceller."

(Når det gjelder de menneskelige embryonale nyreceller, brukte forfatterne data fra Kevin Thurley et al., I Science -lenke. Disse forfatterne oppgir ikke hvordan de oppnådde cellene.)

Å måle entropien til flagellaroverføring vil hjelpe ingeniører, sier de, når de husker de forbløffende evnene til disse ikonene med intelligent design:
"Ved å rotere spiralformede flageller, kan mange arter av bakterier svømme og nå hastigheter på titalls kroppslengder per sekund. Hver flagellum er drevet av en bemerkelsesverdig nanoskala -motor, drevet av en fluks av ioner over den cytoplasmatiske membranen, som kan oppnå over 100 rotasjoner per sekund. Å måle entropiproduksjonen av motoren lover innsikt i effektiviteten til små selvmonterte motorer og mikrobiell bevegelse."
Forfatterne oppga ikke effektiviteten til flagellen, mikrotubulen og nyrescelle-svingninger; Deres fokus var å definere en grovkornet, modell-agnostisk estimator som kunne "brukes til å utlede ytterligere termodynamiske kostnader for å regulere molekylære svingninger ved å kvantifisere de entropiske avveiningene celler blir tvunget til å gjøre." Og tvunget er de:
"Entropiske kostnader begrenser nøyaktigheten av biologiske sensoriske systemer, biologiske klokker og iboende støyundertrykkelse i celler. Utover direkte applikasjoner til eksperimentelle data, kan de nåværende rammeverket hjelpe oss med å forstå og kvantifisere avveininger mellom den trofaste utførelsen av en biologisk funksjon og energien som er brukt til å utføre den."

Bilde 2. 2. Termodynamiske lov virker stadig

Omvurdere beregning
National Institute of Standards and Technology (NIST) prøver også å minimere entropiske kostnader. De kunngjorde, "Race Logic: Nye kretser løser et utall av beregningsintensive problemer med et minimum av energi." Det er et race som i løping. Organismer møter denne typen sport hele tiden.
"Fra forgreningsmønsteret av bladårer til de forskjellige sammenkoblede traséene som sprer koronavirus, trives naturen på nettverk - rutenett som kobler de forskjellige komponentene i komplekse systemer. Nettverk ligger til grunn for slike virkelige problemer som å bestemme den mest effektive ruten for et lastebilfirma til å levere livreddende medisiner og beregne det minste antallet mutasjoner som kreves for å transformere en streng DNA til en annen."

For å redusere energikostnadene ved å løse disse komplekse problemene, gjorde tre NIST -forskere unna med biter (0 og 1) og redesignet beregning til tidsstempler. å vende biter fra 0 til 1 og tilbake igjen er energikrevende, sier de.
"I motsetning til dette koder og behandler løps-logikk informasjon ved å representere den som tidssignaler - tiden hvor en bestemt gruppe av datamaskinbiter overganger, eller flips, fra 0 til 1. Stort antall bit -vipper er den viktigste årsaken til det store strømforbruket i standard datamaskiner. I denne forbindelse tilbyr løps-logikk en fordel fordi signaler som er kodet i tid, bare involverer noen få nøye orkestrerte bit -vipper for å behandle informasjon, og krever mye mindre strøm enn signaler kodet som 0-er eller 1-ere."

Bilde 3. DNA kan representeres binært

Artikkelen inneholder diagrammer over hvordan metoden kan løse gamle problemer som å finne de mest effektive banene for lastebiler for å levere pakker. Selv om forskerne ikke eksplisitt sier det, ser dette ut til å være logikken bak noen celleprosesser, for eksempel regulering av enzymkonsentrasjoner. I PNA -er har Surajit Chatterjee et al. -lenke Introduser konseptet om at transkripsjon og oversettelse er tett koblet. Siden slike prosesser involverer tidskoding, vil energieffektiv 'løps-logikk' gjelde. Kommentarer til denne artikkelen, også i PNAS -lenke, skriver Michael W. Webster og Albert Weixlbaumer:
"To konserverte prosesser uttrykker den genetiske informasjonen til alle organismer. Først blir DNA transkribert til et messenger -RNA (mRNA) av multisubunit -enzymet RNA -polymerase (RNAP). For det andre dirigerer mRNA proteinsyntese, når ribosomet oversetter nukleotidsekvensen til aminosyrer ved bruk av den genetiske koden. Fordi disse to prosessene er så grunnleggende, har et mangfold av reguleringsprosesser utviklet seg for å regulere dem. De fleste eksempler innebærer regulering av enten transkripsjon eller oversettelse. I PNA -er, beskriver Chatterjee et al. i stedet en kompleks og intrikat reguleringsprosess der transkripsjon og oversettelse samtidig er regulert av hverandre."
Et eksempel de gir er "termodynamisk drevne" konsensus "-pauser" under transkripsjon. Det er faktisk bemerkelsesverdig at celler "har utviklet" regulering av løps-logikk, når NISTs beste forskere fremdeles prøver å finne ut av det.

Optimalisere tilfeldighet
Under et mikroskop ser det ut til at bittesmå gjenstander vrir seg tilfeldig, et fenomen kalt brownsk bevegelse på grunn av den termiske dynamikken i omkringliggende atomer. Hva om hver oppadgående støt kunne lagres og brukes til å skyve en annen partikkel i en jevn retning? Det vil fungere som en skralle som faktisk lagrer informasjon gratis i form av gravitasjonspotensiell energi. Ingeniører ved Simon Fraser University i British Columbia kan skryte av å ha bygget "verdens raskeste informasjonsdrevne motor" ved hjelp av denne teknikken. SFU sier at arbeidet deres "kan føre til betydelige fremskritt i hastigheten og kostnadene for datamaskiner og bio-nanoteknologier"-dvs. bekjempelse av entropi med design.

Bilde 4. Optimalisering av ytelse vs. nytte

"SFU-fysikkprofessor og seniorforfatter John Bechhoefer sier at forskernes forståelse av hvordan man raskt og effektivt kan konvertere informasjon til "arbeid" kan informere om utforming og opprettelse av informasjonsmotorer i den virkelige verden."
"Vi ønsket å finne ut hvor raskt en informasjonsmotor kan gå og hvor mye energi den kan trekke ut, så vi laget en," sier Bechhoefer, hvis eksperimentelle gruppe samarbeidet med teoretikere ledet av SFU -fysikkprofessor David Sivak.
Opprettelsen deres, som har presset teknikken ti ganger lenger enn tidligere implementeringer, er den nåværende "best-in-class" innen informasjonsdrevet motordesign, et konsept som går 150 år tilbake. Først nylig har det vært mulig å ta teorien ut i livet. Artikkelen beskriver hvordan de gjorde det. Så kommer stanselinjen i den siste setningen:
"Veiledet av denne innsikten plukket vi partikkelmassen og andre motor-egenskaper for å maksimere hvor raskt motoren trekker ut energi, overgår tidligere design og oppnår kraft som kan sammenlignes med molekylære maskiner i levende celler, og hastigheter som kan sammenlignes med hurtig svømmende bakterier," sier postdoktoral Fellow Jannik Ehrich.

Tenk på: De beste sinnene innen vitenskap og ingeniørfag prøver å nærme seg bakterienes evner. Det kan antyde noen tanker om opprinnelsen til målet de prøver å nå.