Pavel Kábrt, V humnech 10/14, 193 00 Praha – Horní Počernice, tel [phone]

Vytvoření stupnice geochemické věrohodnosti
Na základě úvah uvedených zde a v kapitole 4 usuzujeme, že rozličné modelové pokusy mohou být seřazeny podle své geochemické věrohodnosti (viz obr. 6-1). Začneme s pokusným reakčním systémem, který tvoří zředěný roztok směsi látek pro "syntézu v celku", kde působí Concerto Effect. Tento systém by měl tvořit základ stupnice, protože má nejvyšší geochemickou věrohodnost v rámci různých prověřovaných pokusů. Na dalším stupni, jen o málo méně věrohodné než "syntéza v celku", leží pokusy s koncentrovanějšími roztoky, kde by zákon o působení aktivní hmoty platil v extrapolaci.

Protože je možné, že nějaký doposud neobjevený mechanizmus udržoval potřebnou koncentraci sirovodíku v atmosféře, a činil tak fotosenzibilizaci věrohodnou, řadíme ji na další stupeň naší stupnice. Tato technika je jistě věrohodnější než například používání sifonu, které předpokládá spolupůsobení několika náhodných faktorů na dávné Zemi. Ještě nevěrohodnější jsou pokusy, předpokládající vysoké koncentrace reagujících látek, např. polymerace HCN, protože jsou zatíženy závažným problémem přirozeného mechanismu zahušťování.

Budeme-li postupovat dále po stupnici, narazíme na pokusy s jiskrovým výbojem a tlakovými vlnami, používanými izolovaně. Tyto pokusy hodnotíme jako ještě méně věrohodné než pokusy vyžadující vysokou koncentraci chemických látek, protože není znám žádný možný přírodní mechanizmus, kterým by byl izolován jediný zdroj energie. Ještě méně přijatelné je použití tepla v kombinaci s vybranou částí UV spektra. V tomto případě se k nedostatku prostředků separace energetických zdrojů přidávají pochybnosti o jejich geochemické věrohodnosti. Dá se tvrdit, že použití jiskrového výboje s energií o několik řádů větší, než jaká mohla dopadat na dávnou Zemi, pouze "urychluje" existující procesy. Toto tvrzení však neplatí o teple. Například zvýšením teploty na 1 000^oC se zvýší nejen reakční rychlosti, ale také se urychlí destrukce organických sloučenin. V případě ultrafialového záření není znám žádný přirozený filtr, který by propouštěl vybrané vlnové délky (tj.< 200 nm) a zamezil průchodu dlouhovlnnějšího UV záření, které působí destruktivně na některé nezbytné organické sloučeniny.

A konečně na vrcholu naší stupnice, tedy v oblasti nejmenší geochemické věrohodnosti, se nacházejí pokusy, které využívají pouze vybrané chemické sloučeniny izolovaně od ostatních složek polévky. Je velmi obtížné rozhodnout, zda je použití vybrané oblasti UV přijatelnější než používání vybraných chemikálií. V každém případě považujeme obě možnosti za velmi nevěrohodné.

Je zřejmé, že pokusy, které jsou na obrázku 6-1 pod číslem 1 a 2, jsou přijatelné prebiotické pokusy, 3-6 jsou pravděpodobně nevěrohodné a 7-8 určitě nevěrohodné.

Určení přijatelného vlivu badatele
Kdy se zásah experimentátora stává nelegitimním? Tak základní otázka jako je tato, je jen velmi zřídka součástí diskusí o modelových pokusech. (Šťastnou výjimku tvoří Orgel a Lohrman.²⁸) Dokonce i v případě jejího rozpoznání, jak je tomu u pokusů s vysokou teplotou a neobvyklými chemikáliemi, pokračuje diskuze bez jakékoliv dohody týkající se kritérií, podle nichž by se měl sestavit všeobecně uznávaný modelový pokus. Následkem toho je diskuze obklopena spornými otázkami. Z informací, které jsou uvedeny v kapitole 4, vyplývá značný rozpor mezi věrohodnými geochemickými podmínkami a podmínkami, za nichž byly prováděny prebiotické modelové pokusy. Nelze říci, že tyto pokusy nemají žádnou hodnotu, ale stanovení jejich skutečné hodnoty je velmi obtížné.

Všechny pokusy jsou prováděny badatelem, jehož vliv se v nich nutně musí odrazit. Nicméně nelze je považovat za prebiotické modelové pokusy, pokud je jistá úroveň badatelova vlivu zásadní pro jejich úspěšnost. Tento požadavek je analogický obecně uznávanému předpokladu, že žádná vnější nebo nadpřirozená síla nezasáhla do přírody v době, kdy vznikal život, nestala se pro jeho vznik rozhodující a nezmizela pak z historie.²⁹ Toto pravidlo můžeme použít po opatrném rozšíření analogie. Při přípravě prebiotického modelového pokusu vytváří badatel prostředí, dodává vodné medium, energii, chemikálie a stanovuje mezní podmínky a utváří tak celkové prostředí experimentu. Přestože je zde jeho přítomnost rozhodující pro úspěšnost pokusu, je zcela legitimní, protože napodobuje hodnověrné podmínky na dávné Zemi. Vliv badatele se stává rozhodujícím v nelegitimním smyslu tehdy, když se laboratorní podmínky nepodobají věrohodným podmínkám na dávné Zemi.

Z toho plyne, že nelegitimnost zásahu badatele je v přímém vztahu ke geochemické nevěrohodnosti podmínek, která plyne z experimentálního záměru nebo z badatelova postupu; nelegitimní zásah je největší, když tato věrohodnost zcela chybí.

Vzhledem k dosud uvedeným skutečnostem lze za rozumný a přípustný vliv badatele považovat: vytvoření věrohodných postupů pokusu, vytvoření počáteční reakční směsi, zahájení přívodu volné energie umožňující odstartování první reakce a uskutečnění minimálních zásahů do systému, nezbytných v různých stadiích pro odebrání části reakčních produktů na analýzu.

Experimentátor obvykle využívá v laboratorních pokusech velké množství manipulativních zásahů ve snaze vést přirozené procesy ke specifickým nenáhodným chemickým výsledkům. Pomocí určitého nátlaku tak ovlivňuje výsledek. Při některých chemických syntézách může být například nezbytné přidávat reagující látky v určitém pořadí nebo měnit rychlosti přidávání, aby byla teplota pod kontrolou, upravit pH při zásadní barevné změně, odstraňovat produkty reakce po deseti minutách místo po dvaceti atd. Tyto manipulace jsou charakteristické pro zásah inteligence z vnějšku a neměly by být využívány v žádném prebiotickém pokusu.

Seřazení pokusných technik (podmínek) na obr. 6-1 představuje stupně nebo kontinuum vlivu badatele. V určitém bodu stupnice je dosaženo takového stupně nevěrohodnosti, že pokus již nemůže být považován za přijatelný. Za tímto bodem již neexistuje analogie mezi použitou technikou a věrohodně přijatelnými prebiotickými podmínkami. Badatel, který se odchyluje od věrohodných podmínek, je jako herec, který zapomněl text a začíná improvizovat. Techniky tohoto druhu jsou nelegitimní a nemohou být postaveny na stejnou úroveň jako ty, které se nacházejí v oblasti věrohodnosti.

Na základě výsledků naší kritické analýzy jsme stanovili hranici legitimního zásahu mezi body 2 a 3, tj. mezi pokusy s koncentrovanějšími chemickými látkami, kde se extrapolací uplatňuje zákon o působení aktivní hmoty a pokusy využívající fotosenzibilizace. Relativní pořadí technik i hranice přijatelné interference jsou zkusmé. Hlavním účelem uvedení této stupnice je zdůraznit důležitost stanovení kriterií přijatelnosti pokusu.
Shrnutí a závěr
Shrneme-li to, co bylo právě řečeno, zjistíme, že v každé experimentální technice (podmínkách), která leží v uvedené stupnici nad hranicí rozhodující avšak přijatelné interference, hraje badatel velmi důležitou i když nelegitimní úlohu v úspěšnosti pokusu. Při posuzování abiotických pokusů Brooks a Shaw vyjádřili své mínění o tomto problému takto:
Tyto pokusy... jsou nazývány abiotickými syntézami, ačkoliv jsou ve skutečnosti naplánovány a provedeny vysoce inteligentním a velmi biotickým člověkem.³⁰
Jinými slovy, v každé z těchto nevěrohodných pokusných technik zasahuje badatel do experimentu tak, že využívá vlivu inteligence na domnělou "prebiotickou Zemi." Pokud je tento vnější zásah badatele přehlížen, vytváří se iluze prebiotické simulace. Tento neutěšený stav bude trvat, dokud se společenství vědců, kteří se zabývají problematikou vzniku života, nesjednotí na kriteriích věrohodnosti pokusů.

Mají-li být techniky, které odrážejí vliv badatele, skutečně považovány za věrohodné napodobení dávných podmínek, zůstává na badatelích, aby obhájili jejich věrohodnost. Nejedná se o nic jiného, než o požadavek skutečné vědy.

Literatura
1. W.E. Groth a H. Weyssenhof, 1957. Naturwiss.44, str. 510; 1959. Ann. Physik 4, str. 69; 1960. Planet. Space. Sci. 2, str.79; C. Ponnamperuma a J. Flores, 1966. Abstr. Amer. Chem. Soc., 152. Setkání 11.-16. září, New York; A.N. Terenin, 1959. V The Origine of Life on the Earth, vyd., A.I. Oparin, Oxford: Pergamon Press, str. 136; N. Dodonova a A.I. Sidorova, 1961. Biophysics 6, str.14.

2. H.R. Hulett, 1969. J. Theoret. Biol. 24, 56; J.W.S. Pringle, 1954. New Biology č. 16, str. 54; C. Sagan, 1961. Rad. Res. 15, 174; S. Miller, H. Urey a J.Oro, 1976. J. Mol. Evol. 9, 59.

3. C. Sagan a B.N. Khare, 1971. Science 173, 417; Khare a Sagan, 1973. V Molecules in the Galactic Environment, ed. M.A. Gordon a L.E. Snyder, New York: John Wiley, str. 399. K. Hong, J. Hong a R. Becker, 1974. Science 184, 984.

4. N. Friedmann, W.J. Haverland a S.L. Miller, 1971. V Chemical Evolution and the Origin of Life, ed. R. Buvet a C. Ponnamperuma. Amsterodam: North-Holland, str. 123.

5. Tamtéž, str. 129.

6. J.P. Ferris a D.E. Nicodem, 1974. V The Origine of Life and Evolutionary Biochemistry, ed. K. Dose, S.W. Fox, G.A. Deborin a T.E. Pavlovskaya. New York: Plenum Press, str. 113.

7. S.M. Siegel a B.Z. Siegel, 1976. Origins of Life 2, 175.

8. Stanley L. Miller a Harold C. Urey, 1959. Science 130, 245; S.L. Miller a L.E. Orgel, 1974. The Origin of Life on the Earth. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall, str. 145; S.L. Miller, H.C. Urey a J. Oro, 1976. J. Mol. Evol. 9, 59.

9. Hulett, J. Theoret. Biol., str. 56.

10. H.R. Hulett, 1973. V Proceedings of the Fourth Conference on Origins of Life : Chemistry and Radiastronomy, ed. Lynn Margulis. New York: Springer-Verlag, str. 95.

11. C. Sagan, v Proceedings of the Fourth Conference on Origins of Life, str. 95

12. A. Bar-Nun, N. Bar-Nun, S.H. Bauer a C. Sagan, 1970. Science 168, 470

13. Hulett, J. Theoret. Biol., str. 64.

14. C.E. Folsome, 1979. The Origin of Life. San Francisco: W.H. Freeman & Co., str. 62.

15. S.W. Fox a K. Dose, 1977. Molecular Evolution and the Origin of Life . New York: Marcel Dekker, str. 74-75.

16. K. Harada a S.W. Fox, 1965. V The Origins of Prebiological Systems and of Their Molecular Matrices, New York: Academic Press, str. 187.

17. S.L. Miller, 1955. J. Am. Chem. Soc. 77, 2351.

18. Groth a Weyssenhoff, Naturwiss., str. 510; Ann. Physik, str. 69; Planet. Space Sci., str. 79; Ponnamperuma a Flores, Abstr. Amer. Chem. Soc., 152. Setkání; Terenin, v The Origin of Life on the Earth , str. 136; N.Y. Dodonova a A.I. Sidorova, Biophysics 6, 14; Sagan a Khare, Science, str. 417; Khare a Sagan v Molecules in the Galactic Environment, str. 399; Hong, Hong a Becker, Science, str. 984.

19. H. Sisler, C. VanderWerf a A. Davidson, 1967. College Chemistry, 3. vydání. New York: MacMillan, str. 326-7.

20. C. Sagan, v The Origins of Prebilogical systems, str. 195-6, viz diskuze.

21. Sagan a Khare, Science, str. 417; Sagan, v Proceedings of the Fourth Conference on Origins of Life, str. 97.

22. L.V. Berkner a L.C. Marshall, 1965. J. Atmos. Sci. 22, 225.

23. Dean H. Kenyon a Gary Steinman, 1969. Biochemical Predestination. New York: McGraw-Hill, str. 284.

24. Lynn Margulis, vyd., 1970. Origins of Life: Proceedings of the First Conference, (Princeton, New Jersey, 21.-24. května, 1967.) New York: Gordon and Breach.

25. Alexander Rich, v Origins of Life: Proceedings of the First Conference, str. 183.

27. A.I. Oparin, 1953. The Origin of Life, 2. vydání, překlad S. Morgulis. New York: Dover, str. 146-7.

28. L.E. Orgel a R. Lohrmann, 1974. Accounts of Chem. Res. 7, 368.

29. Kenyon and Steinman, Biochemical Predestination, str. 30.

30. J. Brooks a G. Shaw, 1973. Origin and Development of Living Systems. New York: Academic Press, str. 212.

KAPITOLA 7
Termodynamika živých systémů
Zákony termodynamiky jsou obecně považovány za sjednocující prvek fyzikálních věd; podobnou úlohu sehrává na poli biologie teorie evoluce. Je velmi zajímavé, že předpovědi z jedné oblasti popírají předpovědi z druhé oblasti. Druhá věta termodynamiky svědčí o tom, že fyzikální svět postupuje od pořádku k nepořádku, od složitosti k jednoduchosti. Naproti tomu představuje biologická evoluce postupný vývoj ke stále složitějším formám živých systémů, což je zdánlivě v rozporu s druhou větou termodynamiky. Otázkou, zda je tento nesoulad mezi oběma teoriemi pouze zdánlivý nebo skutečný, se budeme zabývat v příštích třech kapitolách. Diskuze, která na toto téma proběhla po uveřejnění kontroverzního článku v American Scientist¹, prokazuje naléhavost tohoto problému.
První věta termodynamiky
Termodynamika je exaktní věda, která se zabývá toky a přeměnami energie. Náš svět překypuje přeměnami hmoty a energie. Ať jsou mechanické nebo chemické, první věta termodynamiky - zákon zachování energie - nám říká, že celková energie vesmíru nebo nějaké jeho izolované části bude stejná před transformací i po ní. Hlavní část termodynamiky tvoří kalkulace - výpočty energie soustavy, v níž došlo k nějaké transformaci. Z první věty termodynamiky tedy vyplývá, že změna energie soustavy (∆E) je rovna práci vykonané v systému nebo systémem (∆W) a toku tepla do nebo ze soustavy (∆Q). Mechanická práce a energie jsou zaměnitelné, tj. energie může být přeměněna na mechanickou práci, jak je tomu u parní lokomotivy, nebo může být přeměněna mechanická práce na energii (zahřívání předmětu při vrtání). Za použití právě definovaných výrazů lze tento zákon vyjádřit rovnicí:

∆E =   ∆Q +   ∆W (7-1)

  

Druhá věta termodynamiky
Druhá věta termodynamiky popisuje tok energie v přírodě při ireverzibilních dějích. Fyzikální podstatou druhé věty termodynamiky je, že tok energie při těchto dějích směřuje vždy k rovnoměrnějšímu rozdělení energie ve vesmíru. Každý, kdo musel po delší dobu hradit náklady za bydlení, si uvědomil, že během zimy uniká do prostoru velké množství tepla z jeho domu. Tento tok energie z domu do chladného okolí během zimy, nebo tok energie z horkého okolí do klimatizovaného domu během léta, jsou procesy, které popisuje druhá věta termodynamiky. Druhým praktickým příkladem tohoto principu je spalování motorového benzínu, při němž se na energii "bohaté" sloučeniny (uhlovodíky) přeměňují na sloučeniny energeticky "chudé", oxid uhličitý (CO₂) a vodu (H₂O).

Pojetí entropie (S) umožňuje kvantitativnějším způsobem popsat snahu energie téci určitým směrem. Změna entropie systému je matematicky definována jako poměr toku energie a teploty:

<sub>∆Q

   ∆S   (7-2)

T</sub>

kde ∆S je změna entropie, ∆Q je teplo vstupující nebo vystupující ze soustavy, a T je absolutní teplota ve stupních Kelvina (K).*

* Pro reverzibilní tok energie, který probíhá například za rovnovážných podmínek, platí znaménko rovnosti. Ireverzibilní tok energie je popsán nerovností.
Hnací síla
Při popisu toku tepla z vytopeného domu ven do studené zimní noci můžeme použít rovnici 7-2 následujícím způsobem:

∆Q ∆Q

  ∆S_T = ∆S_doma + ∆S_venku   -  +  (7-3)

T₁ T₂

kde ∆S_T je celková změna entropie odpovídající tomuto ireverzibilnímu toku tepla, T₁ je teplota uvnitř domu a T₂ je venkovní teplota. Záporné znaménko prvního členu vyjadřuje ztrátu tepla z domu, kdežto kladné znaménko druhého členu vyjadřuje teplo přijaté vnějším prostředím. Protože je uvnitř domu tepleji než venku (T₁ > T₂), bude celková entropie v důsledku toku tepla vzrůstat (∆S > 0). Když přestaneme vytápět dům, bude jeho teplota postupně klesat, dokud se nevyrovná s teplotou okolí, tj. T₁ = T₂. Za těchto okolností změna entropie (∆S) spojená s tokem tepla (∆Q) klesne na nulu. Protože další hnací síla umožňující tok tepla ven neexistuje, dojde k jeho zastavení a ustaví se rovnováha.

Jak ukazuje tento jednoduchý příklad, probíhá tok energie směrem k rovnoměrnějšímu rozložení celkové energie. Další úvaha nás přivede k tomu, že vzrůst entropie spojený s tokem energie je úměrný hnací síle tohoto toku. Druhá věta termodynamiky říká, že entropie vesmíru (nebo libovolné izolované soustavy, která je jeho součástí) vzrůstá, tj. energie vesmíru je stále rovnoměrněji rozdělována.

Často se uvádí, že druhá věta termodynamiky vyjadřuje přirozenou tendenci dějů směřovat od uspořádanosti k neuspořádanosti, od složitosti k jednoduchosti. Pokud je nejnáhodnějším uspořádáním energie její rovnoměrné rozložení, není její současné uspořádání náhodné, protože existuje hmota velmi bohatá na chemickou energii, na tepelnou energii atd., kdežto jiná hmota je na tyto druhy energie velmi chudá. Podobně směřuje rozložení hmoty ve vesmíru od uspořádanosti k neuspořádanosti díky náhodnému pohybu atomů a molekul způsobeným tepelnou energií. Difúzní děje ve skupenství pevném, kapalném i plynném jsou příklady vzrůstající entropie v důsledku náhodného pohybu atomů. Tak odpovídá vzrůstající entropie stále více a více náhodnému rozložení hmoty a energie.

Entropie a pravděpodobnost
Na entropii lze pohlížet i jiným způsobem. Entropie soustavy je mírou pravděpodobnosti daného uspořádání hmoty a energie v tomto systému. Statistická termodynamika může dále kvantifikovat entropii soustavy. Vysoká hodnota entropie odpovídá vysoké pravděpodobnosti uspořádání daného systému. Vzhledem k tomu, že náhodné uspořádání je vysoce pravděpodobné, bude také charakterizováno velkou entropií. Vysoký stupeň uspořádanosti, který je méně pravděpodobný, bude vyjádřen nižší entropií. Druhá věta termodynamiky tedy říká, že události, které zvyšují entropii soustavy, vyžadují změnu od uspořádanějších k méně uspořádaným, nebo od méně náhodných k náhodnějším stavům. Tato představa nám pomůže v kapitole 9 při analýze kondenzačních reakcí, kterými vznikají DNA a bílkoviny.

Clausius², který je autorem druhé věty termodynamiky, shrnul tento zákon do známého stručného výroku: "Energie vesmíru je konstantní; entropie vesmíru směřuje k maximu." Vesmír se mění ze svého současného, méně pravděpodobného uspořádání (o nízké entropii) směrem k pravděpodobnějšímu uspořádání, čemuž odpovídá rovnoměrnější rozdělení energie ve vesmíru.

Život a druhá věta termodynamiky
Jak se toto všechno vztahuje k chemické evoluci? Protože jsou důležité makromolekuly živých systémů (DNA, bílkoviny atd.) podstatně bohatší na energii než jejich prekurzory (aminokyseliny, heterocyklické báze, fosfáty a cukry), nemohly by podle klasické termodynamiky spontánně vzniknout.

Roger Caillois vyjádřil nedávno toto tvrzení slovy: "Clausius a Darwin nemohou mít oba pravdu."³ Tato předpověď klasické termodynamiky však pouze vytvořila základ pro další úsilí porozumět vzniku života. Harold Morowitz⁴ a další říkají, že Země není izolovaná soustava, protože je otevřená vzhledem k toku energie ze Slunce. Problém vzniku organizace a složitosti biologických systémů však nelze jednoduše pominout neurčitým odkazem na otevřenou soustavu a nerovnovážnou termodynamiku. Je nezbytné definovat mechanizmus zodpovědný za vývoj a udržení organizovaných stavů. Abychom objasnili úlohu toku hmoty a energie soustavou jako možné řešení problému, prozkoumáme v tomto smyslu termodynamiku soustavy izolované, uzavřené a otevřené. Pak se zamyslíme nad aplikací termodynamiky otevřených soustav na živé systémy. V kapitole 8 využijeme pojetí termodynamiky uvedené v této kapitole při studiu prebiotických syntéz DNA a bílkovin. V kapitole 9 bude tato teoretická analýza použita pro interpretaci různých prebiotických pokusů směřujících k syntéze DNA nebo bílkovin a naznačí fyzikální podstatu možných příčin neúspěchů při syntézách nezbytných složek živých buněk.

Izolované soustavy
Izolovaná soustava nevyměňuje s okolím hmotu ani energii. Takovou soustavu představuje například dokonale izolovaná termoska (nedochází k žádným tepelným ztrátám), kterou můžeme nejprve naplnit horkým čajem a kostkami ledu. Celková energie této izolované soustavy zůstává konstantní, ale její rozložení se mění s časem. Tím, jak led postupně taje, dochází ke stále rovnoměrnějšímu rozdělení energie v soustavě. Výchozí rozložení energie do horkých (čaj) a studených (led) oblastí je uspořádané a nenáhodné, nemůže se tedy pravděpodobně udržet velmi dlouho. Podle předchozí definice lze říci, že entropie soustavy je zpočátku nízká, ale s časem postupně vzrůstá. Podle druhé věty termodynamiky bude entropie soustavy vzrůstat až do určité maximální hodnoty, která odpovídá nejpravděpodobnějšímu stavu soustavy, jenž je obvykle označován jako rovnovážný.

Krátce řečeno, izolované soustavy vždy udržují celkovou energii konstantní a směřují k maximální entropii neboli k neuspořádanosti. Řečí matematiky:

  ∆E

 = 0 (izolovaná soustava)

∆t

∆S (7-4)

  0

∆t

  

kde ∆E a ∆S představují změny energie a entropie soustavy za časový interval ∆t. Je zcela zřejmé, že v izolované soustavě nemůže uspořádanost žádným způsobem vzrůst. Podle druhé věty termodynamiky směřuje izolovaná soustava vždy k maximální entropii, tedy k neuspořádanosti.

Je třeba uvést, že právě popsaný děj je ireverzibilní v tom

smyslu, že led, který jednou roztál, se v termosce již neutvoří. Ve skutečnosti jsou přirozený rozklad a obecná tendence k větší neuspořádanosti tak univerzální, že je druhá věta termodynamiky vhodně označována jako "časový šíp."⁵
Uzavřené soustavy blízko rovnováhy
Uzavřená soustava může vyměňovat s okolím energii, ale nikoliv hmotu. Na rozhraní uzavřené soustavy a okolí může existovat teplotní gradient, který umožňuje tok energie do nebo ze soustavy, jež se tak dostává do rovnovážného stavu. Je-li teplota podél rozhraní proměnlivá (v místě nikoliv v čase), dojde k toku energie soustavou, která tak bude udržována v určité vzdálenosti od rovnováhy. Nejprve si povšimneme uzavřených soustav, které se nacházejí blízko rovnováhy, a pak uzavřených soustav vzdálených od rovnovážného stavu.

Kombinací první a druhé věty termodynamiky vyjádřených rovnicemi 7-1 a 7-2 a dosazením výrazu -P∆V* za mechanickou práci W, kde P je tlak a ∆V je změna objemu, dostaneme

   ∆E + P∆V

∆S 

T   (7-5)

* Zvětšení objemu (∆V > 0) odpovídá soustavě konající práci, a tedy ztrácející energii. Zmenšení objemu (∆V < 0) odpovídá situaci, kdy je práce soustavě dodána.
Úpravou rovnice dále získáme
  ∆E + P ∆V - T ∆S  0 neboli ∆G  0 (7-6)
kde ∆G = ∆E + P ∆V - T ∆S
Výraz na levé straně nerovnosti 7-6 je označován jako změna Gibbsovy volné energie (∆G). Představuje termodynamický potenciál, který vyjadřuje tendenci soustavy ke změně, např. tendenci k průběhu fázových změn, vedení tepla atd. Samovolně probíhající reakce jsou charakterizovány poklesem Gibbsovy volné energie (∆G < 0). Tato podmínka se shoduje s požadavkem zvyšování entropie vesmíru. Podobně jako vzrůst entropie, vyjadřuje také pokles Gibbsovy volné energie průběh takových změn v soustavě a jejím okolí, které směřují k rovnoměrnějšímu rozložení energie ve vesmíru.

Požadavek druhé věty termodynamiky lze pak shrnout do výrazu

  ∆G

  0 (uzavřená soustava) (7-7)

∆t
kde ∆t je čas, během kterého došlo ke změně Gibbsovy volné energie.
Blízko rovnováhy lze psát
  ∆G

  0 (uzavřená soustava) (7-8)

  ∆t
Fyzikální význam rovnice 7-7 vyplyne po úpravě rovnic 7-6 a 7-7 do následujícího výrazu:

  ∆S 1  ∆E P ∆V

 -   +     0 (7-9)

  ∆t T ∆t ∆t

neboli
 

 ∆S 1   ∆H

 -    0

  ∆t T   ∆t
kde první výraz představuje změnu entropie v důsledku procesu probíhajícího v soustavě a druhý výraz představuje změnu entropie, která je důsledkem výměny mechanické nebo tepelné energie mezi soustavou a okolím. Tím je jednoduše zaručeno, že součet změny entropie systému a změny entropie okolí budou větší než nula, tedy že entropie vesmíru bude vzrůstat. V případě izolované soustavy platí, že  ∆E + P ∆V = 0 a rovnice 7-9 se zjednodušuje na rovnici

7-4.
Jednoduchým příkladem ilustrujícím uvedený princip jsou fázové změny, například přeměna vody na led. Při tvorbě ledu se do okolí uvolňuje energie 80 cal/g. Změna entropie systému při přeměně amorfní vody na krystalický led je -0,293 jednotek entropie (eu)/stupeň Kelvina (K). Změna entropie je záporná, protože tepelná a konfigurační* entropie (neboli neuspořádanost) vody jsou větší než v případě ledu, který je ve formě vysoce uspořádaných krystalů. Tak lze termodynamické podmínky přeměny vody na led vyjádřit pomocí rovnice 7-9 takto:

-80

-0,293 -  > 0 (7-10a)

T

nebo T  273K (7-10b)

Pro T < 273K je z vody uvolněna energie a tvoří se led, přičemž zvýšení neuspořádanosti okolí je větší než zvýšení uspořádanosti vody tvorbou krystalů ledu. Tím je výsledně zaručen vzrůst entropie vesmíru v souladu s druhou větou termodynamiky.

Často je případ krystalizace vody uváděn jako analogie polymerace jednoduchých monomerů vedoucí ke vzniku komplikovaných molekul, například bílkovin a DNA. Tento příměr je však zcela nevhodný. Výraz ∆E + P∆V (rovnice 7-9) má při polymeraci důležitých organických molekul obvykle kladnou hodnotu (5 až 8 kcal/mol), z čehož vyplývá, že reakce nemůže nikdy za rovnovážných nebo rovnováze blízkých podmínek probíhat samovolně**. Naproti tomu má výraz ∆E + P∆V, odpovídající přeměně vody na led, zápornou hodnotu (-1,44 kcal/mol), což vypovídá o samovolném průběhu fázové přeměny, pokud je T < 273K, jak bylo již uvedeno. Meziatomové vazebné síly umožňují molekulám vody vytvářet pravidelnou krystalovou strukturu, pokud je vlivem klesající teploty tepelný pohyb (neboli hnací síla entropie, T ∆S) dostatečně malý. Organické monomery, např. aminokyseliny, vzdorují slučování při jakékoliv teplotě, avšak mnohem méně v určitém systematickém uspořádání.

* Konfigurační entropie měří náhodnost distribuce hmoty stejným způsobem, jakým tepelná entropie měří náhodnost distribuce energie.
** Je-li  ∆E + P ∆V kladné, musí být výraz pro entropii v rovnici 7-9 záporný vlivem záporného znaménka, které leží před ním. Podmínky pro nerovnost mohou být splněny jen, když ∆S má dostatečně velkou kladnou hodnotu, což odpovídá vzrůstu neuspořádanosti.
Morowitz⁶ odhadl vzrůst chemické vazebné energie, která je potřebná k tvorbě bakterie Escherichia coli z jednoduchých prekurzorů, jako 0,0095 erg, neboli průměrně 0,27 eV/atom pro 2 x 10¹⁰ atomů v jedné bakteriální buňce. To by se termodynamicky rovnalo samovolnému ohřátí vody ve vaně na 360^oC, což je naštěstí velmi nepravděpodobné. Morowitz dále odhadl pravděpodobnost samovolné tvorby jedné bakteriální buňky v celém vesmíru během pěti miliard let za rovnovážných podmínek na 10^-10.¹¹ Důležitost tohoto výsledku shrnul slovy: "předpokládáme-li existenci pouze rovnovážných dějů, nedošlo by pravděpodobně v historii vesmíru k většímu výkyvu, než jaký by odpovídal vzniku malého peptidu."⁷ Laureát Nobelovy ceny I.Prigogine a spol. uvedl v souvislosti s tímto problémem:
Pravděpodobnost, že se při obvyklých teplotách shromáždí makroskopické množství molekul tak, že umožní vznik vysoce organizovaných struktur s funkcemi charakteristickými pro živé organismy, je extrémně malá. Myšlenka samovolného vzniku života v jeho současné formě je tedy nepravděpodobná i v rámci miliard let, během nichž probíhala prebiotická evoluce.⁸
Zdá se být zcela jisté, že soustava (izolovaná nebo uzavřená) nalézající se blízko rovnováhy nemůže nikdy vytvořit složitost takového stupně, jaký odpovídá skutečným živým systémům. Místo toho směřují tyto soustavy neustále k maximální entropii neboli nahodilosti. Ani předpoklad dlouhého časového údobí neřeší tento problém, jelikož "časový šíp" (druhá věta termodynamiky) směřuje špatným směrem, tedy směrem k rovnováze. V tomto ohledu pozoroval H.F. Blum:
Druhá věta termodynamiky byla hlavním faktorem určujícím směr v tomto případě [chemické evoluce]; s ní spojené reakce směřují vždy do rovnováhy, tj. směrem k menší volné energii a tedy větší entropii. Z tohoto hlediska představuje nezměrné množství času, který byl k dispozici, pouze příležitost pro pohyb ve směru rovnováhy.⁹ (Důraz doplněn autory knihy.)
Chemická evoluce představuje tedy obrácení směru "časového šípu" to však nenastane v izolovaných nebo uzavřených soustavách blízko rovnováhy.

Slibněji se jeví potenciální možnosti v případě, že uvažujeme soustavu vystavenou toku energie, jenž jí může udržovat vzdálenou od rovnováhy a s ní spojené neuspořádanosti. Taková soustava se nazývá omezená na rozdíl od neomezené soustavy, která se nachází v rovnováze nebo v její blízkosti. Možnosti vzrůstu uspořádanosti v této soustavě budou prošetřeny dále.