Novità sulla produzione di entropia

Un nuovo approccio allo studio dei sistemi complessi porta a una nuova interpretazione della seconda legge della termodinamica

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La natura non è omogenea. La maggior parte dell’universo è complessa e costituita da vari sottosistemi – sistemi autonomi all’interno di un complesso più ampio. Per esempio, le cellule microscopiche e gli elementi circostanti, possono essere a loro volta divisi in molti sottosistemi differenti: il ribosoma, la parete cellulare e l’area intracellulare che circonda la cellula.
La seconda legge della termodinamica afferma che l’entropia media di un sistema chiuso, in contatto con un “bagno termico”, ovvero con il suo disordine, cresce nel tempo. Ma questa stessa legge non dice nulla su cosa succede se il sistema chiuso invece è composto da sottosistemi interagenti.
Una nuova ricerca, condotta dal Prof. David Wolpert, del Santa Fe Institute, pubblicata sul New Journal of Physicsstudia in che modo un insieme di sottosistemi interagenti può influire sulla seconda legge, per quel particolare sistema.
Se molti sistemi possono essere considerati come dei sottosistemi, Wolpert si chiede perchè non si analizzano come tali, piuttosto che come un unico blocco, sul quale abbiamo già delle informazioni precise.
Secondo il Prof.re, la ragione è che se si considera qualcosa come l’insieme di sottosistemi interagenti, si arriva a una versione più forte della seconda legge della termodinamica, che presenta un limite inferiore diverso da zero per la produzione di entropia, che discende dal modo in cui i sottosistemi sono connessi. In altre parole, i sistemi costituiti da sottosistemi interagenti presentano un livello più alto per la produzione di entropia, rispetto a un singolo sistema uniforme.
Tutta l’entropia prodotta è equivalente all’energia che deve essere consumata. In questo modo, conoscendo meglio il modo in cui le reti dei sottosistemi influiscono sulla produzione di entropia, si possono comprendere meglio le energie dei sistemi complessi, come per esempio le cellule, o gli organismi o anche le macchine complesse.
Il lavoro di Wolpert si basa su un altro suo recente articolo, dove viene studiata la termodinamica dei sottosistemi. In entrambi i casi, Wolpert utilizza degli strumenti grafici per descrivere i sistemi interagenti.
Per esempio, la figura che segue mostra le connessioni probabilistiche fra tre sottosistemi – il ribosoma, la parete cellulare e il mezzo intracellulare.
Entropy production gets a system update
Il ribosoma produce delle proteine che lasciano la cellula ed entrano nel mezzo intracellulare. I recettori sulla parete cellulare possono rilevare le proteine che stanno nel mezzo intracellulare. Il ribosoma quindi influenza direttamente il mezzo intracellulare, e indirettamente i recettori della parete cellulare. A influenza B, B influenza C, ma A non influenza direttamente C.
In che modo una simile rete di sottosistemi potrebbe avere delle conseguenze sulla produzione di energia?
Queste restrizioni, di per sè, si traducono in una versione rafforzata della seconda legge della termodinamica, dove si sa che l’entropia deve crescere più velocemente di quanto non farebbe se non ci fossero quelle restrizioni.
A deve usare B come un intermediario, quindi ha delle restrizioni per poter agire direttamente su C. Quella restrizione comporta il livello più alto nella produzione di entropia.
Rimangono ancora molte domande. I risultati ottenuti non tengono conto dell’intensità delle connessioni tra A, B e C. E inoltre non ci dicono nulla su cosa accade quando alla rete vengono aggiunti nuovi sottosistemi con certe dipendenze. Per rispondere a queste e ad altre domande, Wolpert è impegnato in un lavoro continuo, che coinvolge diversi collaboratori in tutto il mondo, per studiare i sottosistemi e la produzione di entropia.
Fonte: phys.org