[논문 리뷰] Thermodynamic Function of Life

Karo Michaelian|arXiv (Cornell University)|2009. 06. 30.

Earth Systems and Cosmic Evolution참고 문헌 68인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 생명의 주요 열역학적 기능이 식물과 시아노박테리아를 통해 증발을 유도함으로써 지구의 엔트로피 생성을 증가시키는 데 있음을 제안한다. 생명은 활성 촉매 역할을 하여 증발, 대류, 대기 순환과 같은 엔트로피 생성 과정을 가속화하며, 생명은 수동적인 생존자라기보다는 행성 수준의 열역학에서 능동적인 역할을 한다고 위치한다. 동물들은 이 과정에서 보조적인 역할을 수행한다.

ABSTRACT

Darwinian Theory depicts life as being overwhelmingly consumed by a fight for survival in a hostile environment. However, from a thermodynamic perspective, life is a dynamic, out of equilibrium process, stabilizing and coevolving in concert with its abiotic environment. The living component of the biosphere of greatest mass, the plants and cyanobacteria, are involved in the transpiration of vast amounts of water. Transpiration is part of the global water cycle, and it is this cycle that distinguishes Earth from its apparently life barren neighboring planets, Venus and Mars. The water cycle, including the absorption of sunlight in the biosphere, is by far the greatest entropy producing process occurring on Earth. Life, from this perspective, can therefore be viewed as performing an important thermodynamic function; acting as a dynamic catalyst by aiding process such as the water cycle, hurricanes, and ocean and wind currents to produce entropy. The role of animals in this view is that of unwitting but dedicated servants of the plants and cyanobacteria, helping them to grow and to spread into initially inhospitable areas.

연구 동기 및 목표

• 다윈주의 생존 관점을 초월해 지구의 열역학에서 생명의 역할을 재정의하며, 엔트로피 생성을 핵심 기능으로 강조한다.
• 생명이 존재를 위한 수동적 경쟁이 아니라 행성 규모의 엔트로피 생성을 가속화하는 능동적 역할을 한다는 점을 입증함으로써 전통적인 생명관을 도전한다.
• 수증기 순환—생물학적 증발에 의해 구동되는 것—이 지구에서 가장 주요한 엔트로피 생성 과정임을 입증한다.
• 특히 식물과 시아노박테리아가 비생물계 시스템과 공진화하여 엔트로피 생성을 안정화하고 증진시키는 방식을 탐구한다.
• 동물들이 의도치 않게라도 식물의 성장과 분포를 지원함으로써 생명의 열역학적 기능을 보조하는 핵심적 역할을 한다는 점을 위치한다.

제안 방법

• 열역학 원리를 적용하여 지구에서의 주요 엔트로피 생성 과정으로서의 전 세계 수증기 순환을 분석한다.
• 최대 엔트로피 생성 원리(MEPP)를 적용하여 생명이 엔트로피 생성을 최대화하도록 진화했다고 주장한다.
• 증발과 대기 대류를 향상시키는 증발의 역할을 정량화하고, 이를 엔트로피 생성과 연결한다.
• 금성과 화성의 엔트로피 생성과 비교하여, 이들 행성에서 생명과 수증기 순환의 부재가 엔트로피 생성을 극도로 낮춘다는 점을 강조한다.
• 증발과 대류와 같은 엔트로피 생성 과정의 활성화 에너지 장벽을 낮추는 데서 생명이 동적으로 촉매 역할을 한다고 모델링한다.
• 관측 데이터와 이론적 계산을 활용하여 생물학적 증발을 통한 엔트로피 생성의 크기를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구에서 생명의 열역학적 기능은 무엇이며, 다윈주의적 생존 관점과 어떻게 다를까?
• RQ2 전 세계 수증기 순환이 지구의 엔트로피 생성에 어떻게 기여하는가? 생명은 이 과정에서 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 왜 지구의 엔트로피 생성률은 금성과 화성보다 현저히 높은가? 이는 생명의 존재와 어떤 관련이 있는가?
• RQ4 식물과 시아노박테리아는 증발을 통해 엔트로피 생성을 어떻게 촉매하는가?
• RQ5 동물들은 의도하지 않게라도 생명의 열역학적 기능에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 생물학적 증발에 의해 구동되는 전 세계 수증기 순환은 지구에서 가장 주요한 엔트로피 생성 과정이다.
• 식물과 시아노박테리아의 증발은 증발과 대기 대류를 크게 향상시켜 엔트로피 생성을 가속화한다.
• 지구의 높은 엔트로피 생성률은 생명 존재와 활발한 수증기 순환의 존재와 직접적으로 연결되어 있다.
• 반면 금성과 화성은 활발한 수증기 순환과 생명이 없어 엔트로피 생성이 극도로 낮으며, 이는 생명의 열역학적 중요성을 부각시킨다.
• 생명은 허리케인, 해류, 바람 순환과 같은 엔트로피 생성 과정을 촉진하는 동적으로 작용하는 촉매로 기능한다.
• 동물들이 식물의 성장과 분포를 지원함으로써 생태계의 열역학적 기능을 강화하는 무의식적인 기여자임을 입증하였다.