Schwalbennest über unserem Balkon in Weddel
Die Entropie eines abgeschlossenen Systems verringert sich nicht von allein. Aber eben nur die eines abgeschlossenen Systems.

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Entropie II

Lebewesen und Entropie

Lebewesen sind Systeme mit sehr niedriger Entropie – sie verringern ihre Entropie sogar noch, wenn alte Zellen durch neue ersetzt werden, die Lebewesen wachsen oder Wunden heilen. Dies widerspricht jedoch in keiner Weise dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (siehe hierzu unter Entropie I), denn der gilt für abgeeschlossene Systeme. Und eines sind Lebewesen ganz sicher nicht – abgeschlossene Systeme. Lebewesen müssen Nahrung zu sich nehmen, aus denen sie sich die zum Leben und Wachsen nötige Energie holen. Nahrung enthält chemische Verbindungen, in denen die Energie gespeichert ist. Bei der Verdauung werden diese chemischen Verbindungen der Nahrung zersetzt, die Energie dabei aus ihnen heraus geholt und in körpereigenen Stoffen gespeichert, aus denen sie dann später freigesetzt und beispielsweise für Muskelarbeit verwendet werden kann.
Eine wichtige Energie liefernde Reaktion ist die Verbrennung von Glucose. „Verbrennung“ bedeutet hier nicht wie im landläufigen Sprachgebrauch das Anzünden mit einem Streichholz, sondern die Oxidation der Glucose – also die Reaktion der Glucose mit Sauerstoff.

(Allerdings ist auch ein „normales“ Feuer eine Reaktion des Brennstoffs mit Sauerstoff. Deshalb wirken Löschdecken – sie schneiden das Feuer vom Sauerstoffnachschub ab und ersticken es. Mehr zu Feuer hier: http://www.feuerwehr-moenchhagen.de/hintergrund/feuer.html)

Dabei entstehen Kohlendioxid und Wasser und es wird Energie frei, von der ein Teil über ein kompliziertes System weiterer chemischer Reaktionen in einem Molekül namens Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert wird, bis der Körper die Energie benötigt und aus dem ATP freisetzt. Der Rest wird als Wärme abgegeben und „verpufft“.
Das funktioniert, weil die Reaktion von Glucose und Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid spontan abläuft.
Ob eine Reaktion spontan abläuft oder nicht, wird in offenen Systemen von zwei Größen bestimmt – innerer Energie und Entropie (siehe hierzu unter Entropie I – Gefrieren). Energieabgabe und Entropiezunahme begünstigen eine spontane Reaktion, Energieaufnahme und Entropieabnahme stehen ihr entgegen. Wird Energie vom System abgegeben und nimmt die Entropie gleichzeitig zu, läuft die Reaktion auf jeden Fall spontan ab. Es kann aber auch sein, dass zwar die Entropie abnimmt, aber so viel Energie abgegeben wird, dass die Reaktion trotzdem spontan abläuft, oder aber die Entropiezunahme ist so groß, dass auch eine Energie verbrauchende Reaktion freiwillig abläuft.
Bei der Verbrennung der Glucose wird sowohl Energie abgegeben (die dann ja vom Lebewesen gespeichert wird) als auch die Entropie erhöht. Die Erhöhung der Entropie geschieht über die Umwandlung der festen Glucose in flüssiges Wasser, da eine Flüssigkeit eine höhere Entropie hat als ein fester Stoff. (Sauerstoff und Kohlendioxid sind beides Gase mit vergleichbarer Entropie. Ihre Beiträge zur Entropiebilanz heben sich also in etwa auf.) Es wird also ein „ordentlicherer“ Nahrungsstoff in einen „unordentlicheren“ Abfallstoff umgewandelt, um eine etwas saloppe Ausdrucksweise zu verwenden (siehe Entropie I – Entropie und Unordnung.

Auf die Weise verringert das Lebewesen zwar seine eigene Entropie (indem es durch Nahrungsaufnahme neue Zellen bildet), erhöht aber die in seiner Umgebung.

Abb. 1 ¦ Lebewesen …   Foto: fuetternde Schwalbe am Schwalbennest über unserem Balkon in Weddel
BildunterschriftLebewesen sind keine abgeschlossenen Systeme – sie müssen Nahrung zu sich nehmen. (Und jeder, der schon mal ein Schwalbennest am Haus hatte, weiß, das darunter die Entropie deutlich erhöht ist ….)Bildunterschrift Ende

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Widerspricht die Entstehung von Leben dem 2. Hauptsatz?

Man hört gelegentlich, die Entwicklung von Lebewesen auf der Erde widerspräche dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (siehe unter Entropie I). Denn mit der Evolution neuer Arten oder auch mit der Entstehung eines individuellen Lebewesens aus einem Zellhaufen entwickle sich ja ein hochkomplexes System – es entstünde dabei also aus Systemen hoher Entropie solche mit niedrigerer Entropie, was nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nicht sein dürfte.
Diese Argumentation beruht auf einem häufig gemachten Fehler – nämlich eine Theorie auf etwas anwenden, ohne genau hinzusehen, ob dieses Etwas überhaupt die Bedingungen erfüllt, unter denen die Theorie gilt.
Der zweite Hauptsatz gilt für abgeschlossene Systeme – also Systeme, die weder Energie noch Stoffe mit ihrer Umgebung austauschen. Und genau das sind Lebewesen nicht. Sie stehen in ständigem Austausch von Energie und Stoffen mit ihrer Umgebung, sind also offene Systeme. In einem offenen System kann die Entropie aber sehr wohl abnehmen – sie muss nur irgendwo in der Umgebung des Systems so stark zunehmen, dass es insgesamt zu einer Entropiezunahme kommt.

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Energie- und Entropiebilanz auf der Erde

Betrachten wir zur Verdeutlichung das System Erde-Sonne. Gegenüber dem Energieaustausch der Erde mit der Sonne können wir den zwischen der Erde und den anderen Planeten oder anderen Sternen vernachlässigen – das System Erde-Sonne kann also als abgeschlossen betrachtet werden. Die Erde steht im Strahlungsgleichgewicht, sie gibt also so viel Energie ab, wie sie von der Sonne aufnimmt. (Wäre das nicht so, würde sie sich entweder aufheizen oder abkühlen. Die im Rahmen der drohenden Klimaänderung diskutierte durch den Menschen verursachte Erderwärmung ist zwar für uns folgenreich, ist aber gegenüber der Gesamtstrahlungsbilanz vernachlässigbar klein.) Entscheidend ist aber nun die Temperatur, bei der die Energie aufgenommen beziehungsweise abgegeben wird. Die Sonnenoberfläche ist um einiges heißer als die Erdoberfläche. Die von der Erde aufgenommene Sonnenstrahlung entspricht daher einer viel höheren Temperatur als die von der Erde abgegebene Wärmestrahlung. Nun geben heiße Körper kurzwelligere Strahlung ab als kühlere Körper – die Sonnenstrahlung ist also kurzwelliger als die Wärmestrahlung der Erde. Andererseits hat ein Quant einer kurzwelligen Strahlung mehr Energie als ein Quant langwelligerer Strahlung. Ein Quant „heißer“ Sonnenstrahlung trägt also mehr Energie als eins „kühlerer“ Wärmestrahlung von der Erde. Trotzdem ergeben aber die von der Erde aufgenommene und die von ihr abgegebene Strahlung jeweils dieselbe Energiemenge. Deshalb müssen von der Erde sehr viel mehr Quanten der Wärmestrahlung abgegeben als Quanten der Sonnenstrahlung aufgenommen werden, um diese Energiemenge zu erreichen. Eine höhere Anzahl Quanten bedeutet aber einen höheren „Grad der Unordnung“, also eine höhere Entropie. Die Erde gibt also mehr Entropie in den Weltraum ab, als sie von der Sonne aufnimmt.
Sie sorgt auf die Weise für genügend Unordnung in ihrer Umgebung, so dass für die Entstehung komplexer Strukturen wie Lebewesen ein wenig Ordnung abgezweigt werden kann, ohne die Gesamtbilanz (in der die Entropie natürlich zunehmen muss) zu gefährden.

Wie der Vergleich mit dem Mars zeigt, ist die Entropiezunahme in der Umgebung des Planeten zwar eine notwendige Bedingung für die Entwicklung komplexer Lebewesen, aber nicht hinreichend. Zusätzlich müssen natürlich auch noch die Randbedingungen wie die Temperatur oder das Vorhandensein notwendiger chemischer Stoffe (wie flüssiges Wasser) stimmen.

© Wiebke Salzmann, Januar 2008

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