Termodinamik Yasaları ve Evrimin Bunlarla İlişkisi

Yazdır Termodinamik Yasaları ve Evrimin Bunlarla İlişkisi
Evrimsel biyoloji ile ilgili bugüne kadar en bilgisizce ve temelsiz olarak ileri sürülen iddialardan bir tanesi, Termodinamiğin İkinci Yasası'nın evrim ile çelişiyor olduğu, dolayısıyla evrimin gerçek olamayacağı iddiasıdır. Bu makalemizde sizlerle bu argümanın hatalarını inceleyecek ve yaşam ile evrimin Termodinamiğin İkinci Yasası ile ne kadar alakalı olduğunu ve ne kadar uyumlu olduğunu izah edeceğiz. 
 
Termodinamik, çok geniş ve başlı başına bir bilim dalıdır. Hem fizik bilimi dahilinde, hem de uygulamalı bilimler (başlıca mühendislik) dahilinde çok derince çalışılan ve çok kapsamlı olarak kullanılan bir konudur. Genellikle ısı transferi ve enerji gibi konularda çok ciddi öneme sahiptir ve bilimin vazgeçilmez yasalarından oluşur. Ancak bunun haricinde, evrenin genişlemesi ve genel olarak kozmoloji için de çok büyük öneme sahiptir ve geniş bir biçimde kullanılmaktadır. 

Termodinamiğin evrimle çelişiyor olduğu iddiasının ardındaki bilgisizlik, evrimle ilgili bilgisizlikten ziyade, termodinamik yasaları ile ilgili bilgisizlikten ileri gelmektedir. Dolayısıyla, bu konuyu anlayabilmek için öncelikle termodinamik yasalarının neler söylediği incelenmelidir.


Termodinamiğin 4 Temel Yasası
 
Termodinamik'in temel olarak 4 ana yasası vardır: Sıfırıncı Yasa, Birinci Yasa, İkinci Yasa ve Üçüncü Yasa. Kısaca ne olduklarına bakacak olursak:
 
Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası, temel olarak şunu söyler: Eğer A ve B cisimleri termal olarak dengedeyse (aralarında ısı alışverişi yoksa, yani sıcaklıkları eşitse) ve eğer sıcaklığını bilmediğimiz bir C maddesini, önce A'ya, sonra B'ye (veya tam tersi) değdirdiğimizde, bu 3 cisim arasında da ısı transferi olmuyorsa, C'nin sıcaklığı da A ve B ile aynıdır. Aslında dikkatli okunduğunda anlaması çok basit olan bu yasayı biraz daha açalım: 


Örneğin elinizde, yukarıda gösterildiği gibi 3 tane küp var: Bunlardan A ile B'yi birbirine değdiriyorsunuz ve sıcaklık değişimlerini ölçüyorsunuz. Eğer hiçbir değişim olmuyorsa, bu ikili arasında ısı transferi yok demektir. Bu da, A ile B'nin sıcaklıklarının aynı olduğu anlamına gelir. Bu durumda, üçüncü bir cisim olan C cisminin sıcaklığını ölçmenin, doğrudan termometre ile ölçmek haricindeki bir yolu bu yasadan geçer: C'yi, önce A'ya veya B'ye dokundurun ve sıcaklık değişimlerine bakın. Eğer ki hiçbir değişim yoksa, yani ısı transferi gerçekleşmiyorsa, dokundurduğunuz cisim ile C cismi dengededir. Sonra, diğerine (örneğin B'ye) dokundurduğunuzda, yine değişim gözlenmiyorsa, B ve C de dengededir. İşte sıfırıncı yasa, aralarında ısı transferi olmayan cisimlerin termal (ısıl, ısı ile ilgili) olarak dengede olduğunu söyler.

Bu yasanın adının bu şekilde olmasının sebebi, birinci ve ikinci yasadan sonra ileri sürülmesi ve yasalaştırılmasıdır. Ancak bilim literatürüne son derece yer etmiş olan 1. ve 2. yasaların sayılarını kaydırmak istemedikleri için, en başa koyarak Sıfırıncı Yasa adını vermişlerdir. Bu yasa, kulağa çok basit geliyor olsa da, bilimin tarihsel gelişimi içerisinde sıcaklık kavramının ne olduğunun ifade edilmesini ve anlaşılmasını sağlamıştır, bu açıdan büyük bir öneme sahiptir. Aslında sıcaklığın tam olarak ne olduğu tartışması, oldukça derin bir konudur ve apayrı bir makale olabilir. O yüzden şimdilik bu konuyu burada bırakacağız. Devam edelim:
 
Termodinamik'in Birinci Yasası, özünde şu temeli sağlar: ısı, bir enerji formudur. Dolayısıyla, tüm diğer enerji korunumlarında olduğu gibi, ısının da transferinde bir korunum söz konusudur. Dolayısıyla, bir sisteme giren ısı enerjisiyle, sistemden ayrılan ısı enerjisi arasındaki fark, sistemde kalan ısı enerjisine eşit olmak zorundadır. Bir diğer deyişle, bir cismin ısıl dengede olabilmesi için, o sisteme giren ve çıkan ısı enerjisi birbirine eşit olmak zorundadır; aksi takdirde denge sağlanamaz. Bu yasayı birçok farklı şekilde de ele almak mümkündür. Örneğin, sadece ısı enerjisi olarak değil; aynı zamanda sistem tarafından yapılan iş açısından da incelemek mümkündür. Ancak çok fazla teknik detaya girerek konuyu boğmak istemiyoruz. 

Bu iki görsel, Termodinamiğin Birinci Yasasını anlamanın kolay bir yoludur. Örneğin ilk görselde, bir insanın bedenine giren enerji miktarı 5 birimse ve çıkan enerji miktarı 4 birimse, bedenimiz içerisinde depolanan enerji miktarı, ikisi arasındaki fark olan 1 birime eşit olmak zorundadır. Bunun daha teknik bir açıklaması, NASA tarafından verilen ikinci görseldir. Sistemin iç enerjisindeki değişim, sistemin aldığı enerji ile sistemin yaptığı iş arasındaki farka eşit olmak zorundadır. Sistemin yaptığı iş, sistemden çıkan enerji olarak düşünülebilir.


 

Evrimden anlamayan insanların buraya kadar pek sıkıntısı yoktur, çünkü zaten birçoğu, Termodinamiğin İkinci Yasası haricindeki yasaları tanımlayamaz ve bu konulardan bihaberdir. Çoğunlukla, bilimi çarpıtma amacıyla kurulmuş ve bundan prim elde etmeye çalışan grupların hazırladıkları materyallerin ezberlenmesiyle süregelen bu argüman, bunu savunan kişilerin bilgisinden oldukça bağımsızdır. Termodinamiğin İkinci Yasası'nın evrimle çeliştiğini söyleyen ve bunu ballandıra ballandıra anlatan insanlara, Sıfırıncı veya Birinci yasayı sorduğunuzda veya genel olarak termodinamiğin ne olduğunu sorduğunuzda, muhtemelen herhangi dişe dokunur bir açıklama yapamayacaklardır. Çünkü amaç bilimsel bir argüman geliştirmekten ziyade, evrime kör bir şekilde saldırma merakı ve bundan prim elde etme çabasıdır. Yine de, siz okurlarımızın tam bir kavrayışa erişmesini istediğimiz için, ilk 2 yasayı da vermek ve izah etmek istedik. Şimdi, güya evrim ile sorunu olduğu iddia edilen ikinci yasaya bir bakalım:


Termodinamiğin İkinci Yasası: Nedir ve Evrimle Alakası Nedir?

Termodinamiğin İkinci Yasası
şunu söyler: Isı, asla daha soğuk ve düşük enerjili bir bölgeden, daha sıcak yani yüksek enerjili bir bölgeye akamaz. Yani enerji, dışarıdan bir etki olmaksızın, her zaman yüksek enerjiden düşük enerjiye doğru akarlar. Burada insan bir anlık şoke olabilecektir. Birçoğunuzun aklından şunun geçtiğine eminiz: "İyi de bunun evrim ile ne alakası var?" İzah edeceğiz.

Bu yasanın aslen ifade edilişi yukarıdaki gibidir. Ancak sonradan, aynı konunun farklı ifadeleri ve izahatleri de gelişmiştir. Bunların başlıcası ise şu şekildedir: "Hiçbir enerji akışı, düşük enerji konumundan yüksek enerji konumuna olamaz." Şimdi evrimle belki biraz daha ilişkilendirdiniz, ancak halen alakasız geliyor olabilir. Bir diğer ifade biçimine bakalım. Bunu anlamak için, enerji ile düzen arasındaki ilişki öğrenilmelidir. Genellikle, karmaşık ve düzensiz sistemlerin enerjisi de düşüktür. Organize ve düzenli sistemlerin ise enerjisi yüksektir. Bu durumda, karşımıza bir önceki ifadenin şu versiyonu çıkar: "Hiçbir enerji akışı, düzensizlikten düzene doğru olamaz." veya "Bütün sistemler, evrenin yapısı gereği düzensizliğe doğru gitmeye mahkumdur." veya "Yapılar, her zaman düzenli bir halden, düzensiz bir hale doğru ilerlerler." İfade biçimi değiştikçe, orjinalden daha kapsamlı ve orjnal konudan daha bağımsız gibi gelen ifadelere ulaşmaktayız. Ancak aynı zamanda, yasanın özünden uzaklaştıkça, evrim ile alakası da ortaya çıkmaya başlamaktadır. Kısaca iddia şudur: "Eğer ki sistemler her zaman düzensizliğe doğru gidiyorsa, nasıl olur da evrimsel süreçler sonucunda, düzensiz ve daha basit yapılı canlılardan, düzenli ve daha karmaşık yapılı canlılar oluşur?" Bu noktada, argümanın mantıklı olduğunu düşünmeye başlamış olabilirsiniz; eğer ki termodinamiğe ve enerji konusuna hakim değilseniz. Şimdi, adım adım ilerleyerek konuyu irdeleyelim ve argümanın ne kadar saçma ve bilgisizce inşa edildiğini görelim.

İlk olarak, ikinci yasanın en net örneklerinden birine bakalım: bir bardak, üzerine uygulanacak ufacık bir kuvvetle bile, bir masanın üzerinden düşebilir ve binbir parçaya bölünebilir. Yani düzenli bir halden, düzensiz bir hale geçebilir. Ancak bir bardak, hiçbir zaman, ufak bir kuvvetle (ve hatta büyük bir kuvvetle bile), yerde parçalanmış halde dururken, masanın üzerine çıkarak bir araya gelemez ve bütün bir bardağı oluşturamaz. İşte burada, entropi (düzensizlik) devreye girmektedir. Sistemler, genel olarak düzensizliklerini arttırmaya meyillidirler. Yani ne olursa olsun, yeterli zaman tanındığında, cisimlerin düzensizliği artacaktır, artmaya mahkumdur. İşte bu sebeple, şu anda etrafımızda gördüğümüz her sistem ve yapı, yeterli süre geçtikten sonra kaçınılmaz olarak maksimum düzensizliğe doğru bozunacak ve dağılacaktır. Bu konuyla ilgili olarak, evrenin yeterince zaman geçtikten sonra başından geçecekleri "Uzak Geleceğin Kronolojisi: Dünya'ya ve Evrene Gelecekte Ne Olacak?" başlıklı makalemizden okuyabilirsiniz.
 

Termodinamiğin Üçüncü Yasası da, sıcaklık ile entropi ilişkisi üzerinedir ve şunu söyler: Bir sistemin sıcaklığı, mutlak sıfır sıcaklığına (-273 Santigrad derece veya 0 Kelvin) yaklaştıkça, sistemdeki tüm işlemler ve süreçler yavaşlar ve sonunda durur. Bu noktada entropi, sabit bir sayıya ulaşır ve değişmez. Bunun sebebi, mutlak sıfır noktasında artık iş üretebilecek hiçbir iç enerjinin kalmıyor oluşudur. Bu, şu anda konumuzla ilgili olmadığından, sadece kenarda dursun.

Şimdi tekrar ikinci yasaya dönelim: eğer ki varlıkların düzensizliği artmaya mahkumsa, nasıl olur da evrim ile daha düzenli yapılar oluşur? Hatta bunu bir adım öteye götürerek şu da sorulabilir: eğer evrenin düzensizliği artmak zorundaysa, nasıl olur da sistemler, galaksiler, yıldız kümeleri gibi düzenli yapılar var olabilir? İşte bu noktada devreye, bu yasaların geçerli olduğu veya genellenmesinden önce anlaşılması gereken 2 sistem türü girmektedir: Kapalı sistemler ve açık sistemler.
 
Kapalı sistemler, en basit tanımıyla, dışarısı ile kütle, iş ve enerji alışverişi yapmayan (ya da kimi durumda, sadece belli tip alışverişleri yapan) sistemlerdir. Örneğin ağzı mühürlenmiş ve ideal bir şekilde izole edilmiş bir kabın içerisi, kapalı bir sistemi teşkil eder. Bu kabın içerisine, ağzı mühürlü olduğu için kütle, ideal bir şekilde izole edildiği için ısı enerjisi giremez. Ancak örneğin bu sisteme, radyoaktif dalgalar erişebilir; dolayısıyla kusursuz bir kapalı sistem değildir. Fakat bu alışveriş, sistemi doğrudan etkilemiyor olabilir veya araştırmanın ilgi alanı olmayabilir. Çoğunlukla kapalı sistemler, belli tür enerji ve kütle transferlerinin sistem üzerindeki etkisini incelemek için kullanılır. Eğer ki elinizde kapalı bir sistem varsa, yukarıda saydığımız yasaların ele alınışı ve sistemdeki değişimleri incelemek için yapılacak hesaplamalar kendine hastır ve aşağıda izah ettiğimiz açık sistemlerden farklıdır. Genellikle, termodinamik analizler dahilinde kapalı sistemler, etrafıyla ısı ve iş alışverişi yapabilen; ancak kütle alışverişi yapamayan sistemlerdir.
 
Açık sistemlerde ise, dışarıdan iş, enerji ve kütle girişi ve sistem dışarısına iş, enerji ve kütle kaybı olur olur. Örneğin Dünya, açık bir sistemdir. Sürekli olarak uzaydan ve Güneş'ten enerji ve kütle girişi olur; aynı zamanda sürekli uzaya doğru kütle (özellikle gaz olarak) ve enerji kaybı olmaktadır. Aşağıdaki denklemleri inceleyerek, açık ve kapalı sistemlerde, örneğin Termodinamiğin Birinci Yasası'nın nasıl farklılaştığını görebilirsiniz:

Kapalı sistemler için Termodinamiğin Birinci Yasası...

Açık sistemler için Termodinamiğin Birinci Yasası...





O Meşhur Soru: Gerçekten Evrim, Termodinamiğin İkinci Yasasıyla Çelişir Mi?

Bahsettiğimiz gibi, bu argümanın çıkış noktası, ikinci yasanın şu şekilde yorumlanmasından kaynaklanmaktadır: "Kapalı bir sistemin entropisi (düzensizliği) asla azalamaz; her zaman artmak zorundadır." Bunu anlamak için, entropinin sadece düzensizlik olarak düşünülmemesi gerektiğinin anlaşılması şarttır. Entropi, enerji söz konusu olduğunda bir tür "kullanılamaz enerji" anlamına gelmektedir. Yani sistemler varlıklarını sürdürdükleri müddetçe, kullanılamaz halde olan enerjileri, yani entropileri giderek artar. Bu oldukça mantıklıdır da. Tıpkı kullanılan bir yakıtın zamanla tükenmesi gibi, sistemlerin enerjisi de zamanla azalmaktadır.

Bu argümanın en temel hatası, yaşamın kapalı bir sistem olarak yorumlanamayacak olmasıdır. Yaşam, bütün ihtişamı ve içeriğiyle açık bir sistemdir. Güneş Sistemi dahilinde, en temel enerji kaynağı olan Güneş'in varlığı, Dünya'daki neredeyse hiçbir noktanın ideal bir kapalı sistem olamayacağını gösterir ve her zaman açık bir sistem olarak değerlendirilmesi gerekir. Bunun en basit göstergesi şudur: bir bitki tohumu içerisindeki kullanılabilir enerji miktarı, o tohumdan gelişen bitkideki kullanılabilir enerji miktarına göre çok daha düşüktür. Yani bitki, tohumundan büyüdükçe, kullanılabilir enerji miktarı da giderek artar. Bu durumda, domateslerin varlığı Termodinamiğin İkinci Yasası ile çelişmekte midir? Elbette hayır. Çünkü bir canlı türü, açık bir sistemdir ve etraftan enerji alarak düzensizlik artışına geçici olarak karşı koyabilir. Ancak burada anahtar kelime, geçici sözcüğüdür. Evrenin dokusundan ötürü, etrafımızdaki tüm varlık ve sistemler geçicidir. Bunların bazılarının düzensizliklerini, geçici olarak, dışarıdan enerji uygulayarak azaltmak mümkündür. Ancak nihayetinde, gerekirse katrilyonlarca yıl geçtikten sonra, evrenin bütünüyle birlikte düzensizliğe mahkum olacaklardır, ikinci yasanın söylediği budur.

Bunu şöyle de anlayabilirsiniz: masanın üzerinden yere düşen bardağı hatırlayınız. Hiçbir bardağın yerdeki parçalarının birleşerek bütün haline dönüşmeyeceğini biliriz. Çünkü bunu sağlayabilecek doğal bir kuvvet yoktur. Ancak örneğin bir insan, gerekli enerjiyi bardak parçalarına vererek (yani iş yaparak), parçalanmış bir bardağı birleştirip, eski haline yakın bir forma döndürebilir. Benzer bir şekilde, kırılmış bardak parçalarını eritip yeniden, birebir aynı bardağı elde edebiliriz. Ancak tüm bunlarda kritik olan nokta, bardağın bu durumda kapalı bir sistem olmaması, dışarıdan iş, enerji ve kütle alabiliyor olmasıdır. Doğaya baktığımızda, biyokimyasal moleküller üzerinde iş yaparak daha karmaşık yapılara erişmelerini sağlayan sayısız kuvvet ve tepkime görürüz. Tıpkı insanın iş yaparak düzensizliği geçici olarak azaltabilmesi veya artışı durdurabilmesi gibi, doğa da karmaşık yapıları geçici olarak üretebilir. Bu noktada, tepkime türlerine de bakmak gerekir; ancak bu konumuzu fazlasıyla uzatacaktır. Bu yüzden, Abiyogenez yazı dizimize dönerek oradaki süreçleri okumanızı tavsiye ederiz. Üstelik canlılık bunun tek örneği değildir, doğada, tıpkı galaksiler ve sistemler gibi, düzensizlikten düzenin oluştuğu birçok doğal süreç vardır: kar taneleri, kum tepeleri, hortumlar, sarkıt ve dikitler, kademeli nehir yatakları, yıldırımlar ve daha nicesi, kaotik ve düzensiz yapıların, düzenli yapılara dönüşümü ile oluşmaktadır. 

Bu noktada, evrimin aslında ikinci yasa ile ne kadar uyumlu olduğunu bir örnekle görebiliriz: evrim, hiçbir zaman bir anda devasa değişimleri öngörmez, böyle bir değişimin var olamayacağını söyler. Örneğin iki bacaklı bir canlı, bir anda dört bacaklı bir canlıya dönüşmez. Bir dinozor, bir anda kanatlar oluşturarak uçmaya başlamaz. Evrim, devasa yapıdaki canlıların içerisindeki ufacık atomlardan oluşan moleküllerdeki ufacık değişimlerin, nesiller içerisinde ufak ufak birikimiyle olur. Bunun hiçbir noktasında, düzensizliği ciddi bir biçimde etkileyecek bir sıçrama yoktur. Evrim, popülasyon içerisindeki genlerin dağılım sıklıklarındaki değişimdir. Evrimi, düzensiz yapıların düzenli yapılara dönüşümü olarak tanımlamak, oldukça indirgeyici ve gerçek dışı bir tanım olacaktır. Evrimde illa daha karmaşık yapıların evrimleşmesi şart değildir. Önemli olan, var olan varyasyonların, var olan çevre koşullarına göre hayatta kalması veya elenmesi, böylece kendini tanımlayan genleri daha fazla aktarması veya aktaramamasıdır.

Bir diğer önemli yorum ise, kapalı sistemlerde bile zaman zaman yerel (lokal) bazı bölgelerde, daha düşük entropili sistemlerin var olabileceğidir. Yani bir sistemin boyutu ve karmaşıklığı da önemlidir. Büyük ve karmaşık bir sistem içerisindeki yerel noktalar, sistemin geneline göre daha düzenli olabilirler. Örneğin evrenin bazı noktaları, geneline göre daha düzenli olabilir. Ancak bir bütün olarak sistem, düzensizliğe doğru ilerlemektedir. 

Abiyogenez yazı dizimizden hatırlanabileceği gibi, canlılığı zaten "canlı" yapan özellik, kendi düzensizliğini aktif olarak azaltma çabasıdır. Bunu yapmanın tek yolu beslenmedir ve tüm canlılar, öyle veya böyle, etraflarından besin ve enerji almak zorundadırlar. Aksi takdirde, düzensizliğe yenik düşecektirler ve ölürler. Zaten tam olarak bu sebeple, ölmüş canlıların bedenleri bozunur ve ayrışır. Artık aktif olarak enerji tüketemediği için, yapısal bütünlüğünü ve düzenini koruyamaz. Bahsettiğimiz geçici düzenlilik halini yitirir, zamanının sonuna ulaşmıştır. Canlılar, aslında Termodinamiğin İkinci Yasası'nı zaten ihlal etmemektedirler: çünkü canlılar, etraflarını sürekli düzensiz hale getirerek, kendi düzenlerini korumaktadırlar. Bir aslanın avlanması ve sonunda, düzenli haldeki avını parçalaması, bir bakterinin etraftaki düzenli şeker moleküllerini parçalayarak (düzensiz hale getirerek) kendi düzenini koruması, bunun birkaç örneğidir. Kısaca canlılar, ölüm adını verdiğimiz çevre ile mutlak denge haline ulaşmamak için, sürekli olarak dengesizlik yaratmaktadırlar. Bu dengesizlik sayesinde, ömürleri boyunca düzenlerini geçici olarak koruyabilirler. Bu süreçte de üreyerek, varlıklarını genetik bir biçimde sürdürülebilir kılmayı hedeflerler.

Uzun lafın kısası, termodinamiğin yaşam ile doğrudan bir ilgisi olmasa da, elbette fiziksel bir olgu olan yaşamın da termodinamik yasaları ile çeşitli ilişkileri vardır. Bu ilişkilerin hiçbiri, herhangi bir çelişkiye dayanmamaktadır. Yaşam ve evrim de, tüm diğer doğa yasaları gibi termodinamiğin yasaları ile birebir uyumludur. 1965 yılında Nobel Ödülü'ne layık görülen Jacques Monod'un sözlerine kulak verelim:

"Biyosferimiz içerisindeki evrim, zaman içerisinde bir yön belirleyen, tersinmez bir süreçtir. Bu zaman yönü, entropi artışı yasası, yani Termodinamiğin İkinci Yasası'nın gösterdiği ile aynı yöndür. Bu, sıradan bir kıyaslamadan çok daha ötedir: ikinci yasa, evrimin tersinmezliği ile birebir aynı gözlemler üzerine kuruludur. Aslında, evrimin tersinmezliğini, biyosfer içerisindeki Termodinamiğin İkinci Yasası'nın bir ifadesi olarak görmemiz gerekir."

Evrimin tersinmezliği ile ilgili olarak "Geri Evrim (Reverse Evolution) Nedir?" ve "Dollo ''Yasası'' (Hipotezi) Nedir?" başlıklı makalelerimizi okuyabilirsiniz.

Umarız açıklayıcı olmuştur.
 
Saygılarımızla.
 

ÇMB (Evrim Ağacı)


Kaynaklar ve İleri Okuma:
  1. MIT Open Course
  2. National Center for Science Education
  3. TalkOrigins-1
  4. TalkOrigins-2
  5. Biologos
  6. Friends of Darwin
  7. Ask A Mathematician
  8. ScienceBlogs (Dr. Paul Zachary Myers)
  9. George Mason University
  10. Occidental College
  11. Entropy
  12. The Theory of Heat Radiation
  13. Examination of the Foundations of Thermodynamics
  14. Çengel Y.A. and Boles M. (2007). Thermodynamics: an engineering approach. McGraw-Hill Higher Education. ISBN 0-07-125771-3
  15. Leff, Harvey S., and Rex, Andrew F. (eds.) 2003. Maxwell's Demon 2 : Entropy, classical and quantum information, computing. Bristol UK; Philadelphia PA: Institute of Physics. ISBN 978-0-585-49237-7
6 Yorum