[论文解读] Thermodynamic Function of Life

Karo Michaelian|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2009

Earth Systems and Cosmic Evolution参考文献 68被引用 12

一句话总结

本文提出，生命的主要热力学功能是通过蒸腾作用驱动全球水循环，从而提升地球的熵产生。生命，特别是植物和蓝细菌，作为动态催化剂，加速了蒸发、对流和大气环流等熵产生过程，使生命不再仅是被动的幸存者，而是行星热力学中的主动参与者，动物则在此过程中充当辅助角色。

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.

研究动机与目标

• 将生命在地球热力学中的角色重新定义为超越达尔文进化论的生存，强调熵产生作为核心功能。
• 挑战传统将生命视为被动求生斗争的观点，揭示其在加速行星尺度熵产生中的主动作用。
• 证明水循环——由生物蒸腾驱动——是地球上主导的熵产生过程。
• 探讨生命，尤其是植物和蓝细菌，如何与非生物系统共同演化，以稳定并增强熵产生。
• 将动物定位为无意但必不可少的植物生长与传播促进者，从而支持生命的热力学功能。

提出的方法

• 将全球水循环视为地球上主要的熵产生过程，运用热力学原理进行分析。
• 应用最大熵产生原理（MEPP）论证生命演化以最大化熵产生。
• 量化蒸腾在增强蒸发和大气对流中的作用，将其与熵产生相联系。
• 将地球的熵产生与金星和火星进行比较，突出这两颗行星缺乏生命和水循环。
• 将生命建模为动态催化剂，降低蒸发和对流等熵产生过程的活化能垒。
• 利用观测数据和理论计算，估算生物蒸腾导致的熵产生量。

实验结果

研究问题

• RQ1 生命在地球上的热力学功能是什么？它与达尔文主义的生存观有何不同？
• RQ2 全球水循环如何促进地球的熵产生？生命在此过程中扮演什么角色？
• RQ3 为何地球的熵产生率显著高于金星和火星？这与生命的存 在有何关联？
• RQ4 植物和蓝细菌如何通过蒸腾作用作为熵产生的催化剂？
• RQ5 动物如何在无意中促进生命的热力学功能，即使其并非有意为之？

主要发现

• 由生物蒸腾驱动的全球水循环，是地球上主导的熵产生过程。
• 植物和蓝细菌的蒸腾显著增强了蒸发和大气对流，从而加速了熵产生。
• 地球的高熵产生率与生命存在及水的活跃循环直接相关。
• 相比之下，金星和火星——缺乏活跃水循环和生命——熵产生量远低于地球，凸显了生命在热力学上的重要意义。
• 生命作为动态催化剂，促进飓风、洋流和风系等熵产生过程。
• 动物被证明是支持植物生长与传播的无意识推动者，从而强化了生物圈的热力学功能。