엔트로피와 생명체

엔트로피는 우리 주변의 모든 현상에 영향을 미치는 중요한 개념이다. 열역학 제2법칙에 따르면, 닫힌 시스템에서 엔트로피는 항상 증가하거나 일정하게 유지된다. 즉, 시간이 지남에 따라 물질은 점점 더 무질서한 상태로 변화한다. 이러한 엔트로피 증가는 자연의 근본적인 법칙이다.

물리학에서 엔트로피는 시스템의 무질서도를 나타내는 척도다. 얼음은 물보다 엔트로피가 낮다. 얼음의 분자들은 정해진 패턴으로 배열되어 있고, 물의 분자들은 자유롭게 움직인다. 따라서 물의 상태를 알기 위해서는 분자들의 위치와 운동에 대한 정보가 많이 필요하다. 상대적으로, 얼음의 상태는 분자들의 위치와 운동에 대한 정보가 많지 않아도 된다. 즉, 엔트로피가 높다는 것은 시스템의 상태가 다양하고 예측하기 어렵다는 것을 의미한다. 반대로 엔트로피가 낮다는 것은 시스템의 상태가 단순하고 예측하기 쉽다는 것이다.

엔트로피는 자연법칙 중 하나인 열역학 제2법칙에 따라 시간이 지남에 따라 증가한다. 자연적인 과정에서는 시스템의 무질서도가 증가하고, 시스템의 상태가 다양해지며 예측하기 어려워진다. 이러한 현상을 열역학적 화살표라 부른다. 열역학적 화살표는 시간의 방향성을 결정하는 중요한 요소이다. 하지만 엔트로피가 항상 증가하는 것은 아니다. 우리는 시간이 지남에 따라 먼지가 쌓이거나 더러워지면 쓰레기를 버리고 주변을 청소한다. 인공적인 과정에서는 시스템의 무질서도를 감소시켜 시스템의 상태를 단순화시킴으로 예측하기 쉽게 만들 수 있다. 사람은 음식을 먹고 에너지를 얻는다. 음식은 복잡한 화학물질로 이루어져 있으므로 엔트로피가 높다. 음식을 소화하면서 그 엔트로피를 감소하고, 에너지와 간단한 화학물질로 변환시킨다. 이러한 과정을 생명체의 화살표라고 부른다. 생명체의 화살표는 열역학적 화살표와 반대 방향을 가리킨다.

생명체는 복잡하고 정렬된 구조를 가진 시스템이다. 에너지와 물질을 주고받으며, 자신의 구조와 기능을 유지하고 번식, 진화한다. 무질서하고 복잡한 환경에서 자신의 질서를 유지한다. 즉, 내부 엔트로피를 낮추기 위해 외부의 에너지와 물질을 이용한다. 식물은 태양의 에너지를 이용하여 탄소와 수소를 결합시켜 광합성을 한다. 이 과정에서 자신의 내부 엔트로피를 낮추고 외부의 엔트로피를 증가시킨다. 생명체는 닫힌 시스템이 아니라 열린 시스템이다. 열린 시스템에서는 열역학 제2법칙이 적용되지 않는다.

생명체는 자신의 내부 엔트로피를 낮춤으로써 복잡성과 질서를 유지할 수 있다. 하지만 영원한 것은 아니다. 생명체는 결국 죽음을 맞이하고, 자신의 구조와 기능은 붕괴되어 무질서한 상태로 돌아간다. 죽음은 생명체의 내부 엔트로피가 최대치에 도달한 상태라고 할 수 있다.
생명은 엔트로피와 균형을 이루기 위해 끊임없이 에너지와 물질을 소비하고 방출한다. 생명은 자연의 극한 상황에서 발생하며 발전하고 소멸하는 현상이다. 생명은 열역학 제2법칙의 결과물이다.