De natuur is niet homogeen. Het grootste deel van het universum is complex en bestaat uit verschillende subsystemen - op zichzelf staande systemen binnen een groter geheel. Microscopische cellen en hun omgeving, bijvoorbeeld, kan worden onderverdeeld in veel verschillende subsystemen:het ribosoom, de celwand, en het intracellulaire medium dat de cel omringt.

De tweede wet van de thermodynamica vertelt ons dat de gemiddelde entropie van een gesloten systeem in contact met een warmtebad - ruwweg gezegd, zijn "stoornis" - neemt altijd toe in de loop van de tijd. Plassen vriezen nooit meer terug in de compacte vorm van een ijsblokje en eieren breken nooit vanzelf. Maar de Tweede Wet zegt niets over wat er gebeurt als het gesloten systeem in plaats daarvan is samengesteld uit op elkaar inwerkende subsystemen.

Nieuw onderzoek van SFI-professor David Wolpert gepubliceerd in de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde gaat na hoe een set van op elkaar inwerkende subsystemen de tweede wet van dat systeem beïnvloedt.

"Veel systemen kunnen worden bekeken alsof het subsystemen zijn. Dus wat? Waarom zou je ze eigenlijk als zodanig analyseren, in plaats van slechts één algemeen monolithisch systeem, waarvan we de resultaten al hebben, ’ vraagt ​​Wolpert retorisch.

De reden, hij zegt, is dat als je iets beschouwt als zoveel op elkaar inwerkende subsystemen, kom je tot een "sterkere versie van de tweede wet, " die een ondergrens heeft die niet nul is voor entropieproductie die het gevolg is van de manier waarop de subsystemen zijn verbonden. Met andere woorden, systemen die bestaan ​​uit op elkaar inwerkende subsystemen hebben een hogere vloer voor entropieproductie dan een enkele, uniform systeem.

Alle geproduceerde entropie is warmte die moet worden afgevoerd, en dat geldt ook voor de energie die moet worden verbruikt. Dus een beter begrip van hoe subsysteemnetwerken de entropieproductie beïnvloeden, kan erg belangrijk zijn voor het begrijpen van de energie van complexe systemen, zoals cellen of organismen of zelfs machines

Het werk van Wolpert bouwt voort op een ander recent artikel van hem waarin ook de thermodynamica van subsystemen werd onderzocht. In beide gevallen, Wolpert gebruikt grafische hulpmiddelen voor het beschrijven van op elkaar inwerkende subsystemen.

Bijvoorbeeld, de volgende afbeelding toont de probabilistische verbindingen tussen drie subsystemen:het ribosoom, celwand, en intracellulair medium.

Als een kleine fabriek, het ribosoom produceert eiwitten die de cel verlaten en het intracellulaire medium binnengaan. Receptoren op de celwand kunnen eiwitten in het intracellulaire medium detecteren. Het ribosoom heeft direct invloed op het intracellulaire medium, maar slechts indirect op de celwandreceptoren. Iets meer wiskundig:A beïnvloedt B en B beïnvloedt C, maar A heeft geen directe invloed op C.

Waarom zou zo'n subsysteemnetwerk gevolgen hebben voor de entropieproductie?

"Die beperkingen - op zichzelf - resulteren in een versterkte versie van de tweede wet waarbij je weet dat de entropie sneller moet groeien dan het geval zou zijn zonder die beperkingen, ' zegt Wolpert.

A moet B als tussenpersoon gebruiken, dus het is beperkt om rechtstreeks op C in te werken. Die beperking leidt tot een hogere verdieping op entropieproductie.

Er blijven genoeg vragen over. Het huidige resultaat houdt geen rekening met de sterkte van de verbindingen tussen A, B, en C - alleen of ze bestaan. Het vertelt ons ook niet wat er gebeurt als er nieuwe subsystemen met bepaalde afhankelijkheden aan het netwerk worden toegevoegd. Om deze en meer te beantwoorden, Wolpert werkt samen met medewerkers over de hele wereld om subsystemen en entropieproductie te onderzoeken. "Deze resultaten zijn slechts voorlopige, " hij zegt.