Hello, my name is Eric Smith. In deze sectie wil ik je inleiden tot het idee dat beweging zelf kan bevriezen. We gaan het concept introduceren van niet-equilibrium faseovergangen en gaan spreken over hoe ze ons helpen levende systemen te begrijpen. De onderwerpen die in deze les worden aangebracht, zullen starten met het evenwichtsconcept van faseovergangen, en we leggen uit hoe faseovergangen verband houden met de robuuste patronen van de wereld. Dan gaan we praten over waarom evenwicht niet genoeg is om het leven te begrijpen, en over faseovergangen binnen het domein van dynamische systemen, en wat het betekent voor beweging om te bevriezen. Om te begrijpen wat faseovergangen speciaal maken, moeten we starten met de gewone respons van thermodynamische systemen, die een controle hebben over temperatuur. Denk bijvoorbeeld aan lava, dat een viscositeit heeft. Bij zeer hoge temperaturen, is de viscositeit laag en stroomt de lava als water. Als de temperatuur daalt, wordt de lava meer viscoos, en stapelt zich op en kruipt, maar dat doet het allemaal op een geleidelijke manier. Systemen die faseovergangen ondergaan zijn anders. Als je denkt aan water bij hoge temperaturen die we dan doen dalen, water wordt dan niet geleidelijk aan harder terwijl het afkoelt. Het blijft vloeibaar totdat het plotseling ijs wordt. En die plotselinge aard van de verandering is van belang. Als we aan het ijskristal denken, het heeft een richting waarin het wijst, en die wijsrichting ontstaat plotseling als we de temperatuur doen dalen onder de vriestemperatuur. In het diagram toont de cirkel de richtingen waarin het ijskristal kan wijzen, en de lijn is de staat van het water waar geen richting is. en de vriestransitie is degene waarin het ijs plots in een bepaalde richting wijst. De richting en kracht van het kristal zijn wat we noemen de orde-parameter van de faseovergang. Ze geven een idee en welke graad en hoeveel van orde bereikt is. De orde-parameter heeft twee eigenschappen: Een is de richting, die willekeurig is, en de andere is de kracht die te maken heeft met hoe ver we onder de vriestemperatuur zitten. En dit geeft een idee van hoe globaal de ijskristallen in lijn liggen, en hoe rigide ze in die configuratie liggen. Als we praten over een richting, dan heb je er ofwel een, of niet. Je kan geen halve richting hebben. Als we willen begrijpen de reden voor het plotselinge ontstaan van de orde-parameter, moeten we het belangrijke concept introduceren van symmetrie in faseovergangen. Voor een bevroren staat, bestaat er wel of geen richting; Het onderliggende water is symmetrisch en elke bevroren richting is gelijk aan de andere, maar om te bevriezen, moet je er een kiezen. Want je kan geen halve symmetrie hebben. Je kan geen gelijke mengeling zijn van bevroren in vele richtingen, en het is deze noodzaak om te kiezen die het plotselinge ontstaan teweegbrengt, op het blauwe vlak, vanwaar de orde-parameter van kracht gaat. Daarom spelen faseovergangen een heel belangrijke rol in de materiele wereld. Zij zijn verantwoordelijk voor de meeste van de robuuste patronen die we waarnemen. En dat het is door iets dat we 'coöperatief onderhouden staat' noemen. Iedereen kent de uitdrukking: 'Diamonds are forever' dat een stelling is dat ze zo hard zijn dat ze langer zullen blijven bestaan dan gelijk wat, maar elk gegeven atoom in een diamant is gemakkelijk te bewegen. Waarom is een diamant dan hard? Het is hard omdat alle atomen op microscopische schaal zitten vergrendeld in een kristalstructuur, en je kan geen enkel atoom bewegen, zonder ze allemaal te bewegen. De orde van het kristal is de robuuste eigenschap die ontstaan is als koolstofgas bevriest tot een diamant, en dat is de eigenschap die robuust is gemaakt door de faseovergang zelf. Evolutie in de biologische wereld, gebeurt op een achtergrond van robuuste architecturen Er is een verscheidenheid aan kleine moleculen zoals zuren, bijvoorbeeld azijn, of olies of suikers, die een universele rol spelen in alles wat leeft. Er zijn grotere moleculen zoals RNA die deel uitmaken van de ribosoom. Er zijn architecturen zoals cellularisatie. Dit zijn allemaal universums waarin evolutiedynamiek variaties en veranderingen ontwikkelt. Maar equilibrium ideeën zijn niet genoeg om de aard van de levende robuustheid of de oorzaak ervan te begrijpen. Bedenk, als ik begin met een kip, dan kan ik van de kip kippensoep maken. Maar als ik start met de kippensoep, ook al heeft die dezelfde ingrediënten, dan heeft nog niemand begrepen hoe je daar terug een kip van kan maken. Een klassiek voorbeeld is Stanley Millers experiment uit 1953 dat van de studie naar de oorsprong van het leven, een serieuze wetenschappelijk kwestie maakte, voor het eerst in de geschiedenis. Miller nam een aantal gassen, verhitte deze met een elektrische vonk, en zag dat na verloop van tijd de transparante mix van gassen was omgezet naar diverse, steeds donkerdere teersoorten die aminozuren bevatten, die de materialen zijn, die, onder andere, de materialen zijn waaruit levende systemen bestaan. Maar deze aminozuren waren nog geen leven, net zoals kippensoep geen kip is. We begrijpen uiteraard waarom: Omdat het leven opgebouwd is uit in elkaar grijpende structuren en processen. Als je denkt aan een zaadje dat kiemt, dan wordt er een structuur gebouwd, maar als de structuur gebouwd is en het veld wordt groen, dan doen al deze blaadjes het werk dat het mogelijk maakte de structuur in het begin te bouwen. We kunnen dus vragen, Als we robuustheid begrijpen en de verhouding ervan tot faseovergangen in evenwicht, kunnen dezelfde ideeën dan toegepast worden op een dynamische interactie van structuren en processen, en inderdaad, dat kunnen ze. Misschien het gemakkelijkste systeem waarin we dit kunnen begrijpen rechtstreeks uit een illustratie, is het voorbeeld van scheurpropagatie. We beginnen met een gaas van samengebonden atomen en we oefenen er druk op uit. Om dan de stress te verlichten, moet het loskomen. Als we een knip in dat systeem aanbrengen, kunnen we de scheur zien groeien. Het is de propagatie van dat zelf-reproducerende patroon van het breken van bindingen en het aanpassen van het spanningsveld, dat in het paars wordt getoond, in de omliggende bindingen. De mate waarin de scheurpropagatie een gezamenlijk effect is, is dat het breken van de bindingen plaatsvindt op de schaal van enkelvoudige atoomdiameters. Maar het spanningsveld is op uniforme wijze verdeeld over het volledige materiaal. De macrovervorming van het deel dat reeds gescheurd is, laat toe een zwakke energiedichtheid, verdeeld over het materiaal, te focussen, zoals het heldere licht toont, helemaal tot in een enkelvoudige atoombinding. En het is die focus, die ervoor zorgt dat het spanningsveld en het breken van de binding zich verder en verder doorzetten, als een zelf-reproducerend patroon. We hebben kennis van de ruimte-tijdspatronen die zich vormen in dit soort overgangen als staten van orde, op dezelfde manier dat kristaloriëntatie een staat van orde is. Een manier om dit te doen is met illustraties. Stel, ik neem een elastische vaste stof onder spanning, bijvoorbeeld een blok, en ik draai eraan zodat het buigt. Ik heb niet al de drie dimensies daarvan nodig. Laten een er een doorsnee van nemen die het belangrijke effect van de buiging toont, en we tekenen die groene doorsnee op een vlak. Nu heb ik een extra dimensie en kan ik tijd gebruiken om de andere dimensies voor te stellen. op dezelfde manier waarop ik vellen van films op elkaar zou stapelen. En dan kan ik kijken naar het patroon van een bepaald deel van het materiaal door de tijd heen, getoond als een geel vlak. En ik kan vragen: Welke patronen worden uitgebeeld in deze ruimte-tijd illustratie. Op deze manier kunnen we vergelijken het gespannen materiaal zonder scheur, dat zich in een soort gesmolten staat bevindt, dat al z'n symmetrie heeft. Hier heb je een uniform, verdund spanningsveld, dat door de tijd standhoudt. Als er een knip wordt geïntroduceerd, en de scheur zich uitbreidt, zien we dit op een ruimtediagram, zoals getoond met een gele lijn als het patroon van een spanningsveld en de scheurtip, die op een uniforme manier door ruimte en tijd bewegen. Denk dat we zeiden dat voor een kristal de orde-parameter twee eigenschappen heeft. De ene is een richting, die willekeurig is, de andere is een magnitude die voortkomt uit de wetten van de fysica aan de grondslag ervan. De scheur heeft ook zoiets in de tijd. De positie van de scheur tot een willekeurige oorsprong van tijd kan overal zijn, want dit is een richting van symmetrie. Maar de snelheid waarmee het beweegt wordt bepaald door de achterliggende fysica. En dat is een eigenschap die je kan voorspellen, zoals de hardheid van een kristal. We zien dus dat het concept van faseovergang en het spontane ontstaan van orde bestaat in de dynamische wereld. Bevroren beweging wil niet zeggen beweging die gevangen en gestopt is dat zou het einde zijn van beweging. Bevroren beweging is beweging die robuust is gemaakt door samenwerkingseffecten en faseovergangen. Wat kunnen de orde-parameters van het leven zijn, als we de dynamische faseovergangen proberen te gebruiken, om robuuste universele dingen te begrijpen waaruit het is opgebouwd. Als eerste weten we dat ze chemisch en energetisch moeten zijn. Want het leven is een energetisch proces dat in een chemische omgeving bestaat. We verwachten ook dat het onderling afhankelijke structuur en proces omvat, waarin de structuur het proces ondersteunt, en het proces bouwt de structuur. Enkele kandidaten die we kunnen gebruiken zijn de typische moleculen, de kleine metabolieten die dezelfde rol spelen, of het RNA. Maar een andere eigenschap kan gevonden worden op schaal van de volledige planeet. En dat is het effect dat de biosfeer heeft op de grote biogeochemische cycli. De aanwezigheid van levende systemen, wijzigt de kringlopen van koolstof, stikstof, zwavel, en vele andere elementen en ook van water. De manier waarop deze beweging mogelijk wordt gemaakt, is door nieuwe verbindingen te genereren vanuit deze elementen, die niet zouden bestaan op een planeet zonder biosfeer. Voor de normale patronen in deze veranderingen, komen in aanmerking de orde-parameters voor het leven als een fenomeen van deze planeet. Een andere mogelijkheid is de energieproductie van de Aarde als een volledig systeem. De Aarde is een groene planeet Er is geen andere groene planeet, om dezelfde reden, in ons zonnestelsel. En dat is zo omdat de biosfeer, en diens pigmenten op deze planeet gegenereerd werden. De biosfeer heeft ook de compositie van onze atmosfeer veranderd. Het deed met name moleculair zuurstof in de atmosfeer ontstaan, wat vanuit de ruimte gezien kan worden als het zonlicht erdoorheen schijnt. De studie van de manier waarop levende systemen de atmosferische samenstelling veranderen, is een van de manieren waarop wetenschappers zoeken naar de mogelijkheid van leven op planeten die te ver weg liggen om ook maar iets anders te kunnen zien. Een andere mogelijke eigenschap van het leven die een orde-parameter kan zijn is het concept van individualiteit, die op veel verschillende manieren is ontstaan. A bacteriecel is in de ruimte ingesloten en bevindt zich in een beschermde omgeving maar het heeft ook een moleculair genoom. Een virion is een genoom maar niet met dezelfde verhouding tot energie en metabolisme. We zien dat individualiteit vele vormen aanneemt. Het leven is fascinerend in dit opzicht: Omdat alle faseovergangen waarover ik het hiervoor had, hebben een orde-parameter die één waarde neemt uit het geheel. Maar als we meer willen weten over het soort orde dat ontstaat bij individualiteit, komen we iets fascinerend tegenkomen dat we normaalgezien behandelden als we het over de mensheid hebben, en dat is de vereiste om eigennamen te gebruiken. Harry, Jane, June. We kunnen dus denken aan de individualiteit als een faseovergang waarvan de orde-parameters eigennamen zijn. De voornaamste boodschap van deze les zijn, ten eerste, dat faseovergangen een belangrijke manier zijn waarin natuurlijke systemen op een spontane manier orde scheppen die niet wordt opgelegd door hun randvoorwaarden. De orde is robuust omdat de componenten elkaar wederzijds versterken en het moeilijk maken plaatselijke veranderingen toe te staan. Faseovergangen kunnen ook leiden tot spontane orde en we zagen ook het voorbeeld van scheurpropagatie dat toont hoe dat in z'n werk gaat. En het is belangrijk te zeggen dat we niet weten hoeveel van de orde van het leven begrepen kan worden, door middel van het concept van dynamische faseovergang. Maar kandidaten voor orde-parameters voor deze faseovergangen omvatten de grote biogeochemische cycli en het ontstaan van individualiteit.