Γιατί είναι πολύ χαμηλή η ενεργειακή απόδοση των βιολογικών συστημάτων;

Δεν είναι απολύτως ακριβές να πούμε ότι η ενεργειακή απόδοση των βιολογικών συστημάτων είναι πολύ χαμηλή . Ενώ είναι αλήθεια ότι τα βιολογικά συστήματα δεν είναι τόσο αποτελεσματικά όσο τα ανθρωπογενή μηχανήματα, λειτουργούν μέσα σε ένα πολύ διαφορετικό σύνολο περιορισμών και έχουν εξελιχθεί για να δώσουν προτεραιότητα σε διαφορετικά πράγματα.

Ακολουθεί μια κατανομή του γιατί τα βιολογικά συστήματα μπορεί να φαίνονται λιγότερο αποτελεσματικά:

1. Πολυλειτουργικότητα: Τα βιολογικά συστήματα είναι απίστευτα περίπλοκα και πολυλειτουργικά. Τα κύτταρα και οι οργανισμοί πρέπει να εκτελούν ταυτόχρονα μια τεράστια σειρά εργασιών:ανάπτυξη, επισκευή, κίνηση, αναπαραγωγή κλπ. Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια χρησιμοποιείται συχνά για πολλαπλούς σκοπούς, καθιστώντας δύσκολη την απομόνωση και την ποσοτικοποίηση της απόδοσης για οποιαδήποτε μεμονωμένη λειτουργία.

2. Ομοιόσταση και πλεονασμός: Τα βιολογικά συστήματα δίνουν προτεραιότητα στη σταθερότητα και την ανθεκτικότητα. Έχουν πολύπλοκες ρυθμιστικούς μηχανισμούς για τη διατήρηση της ομοιόστασης (ένα σταθερό εσωτερικό περιβάλλον). Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε "απώλεια" ενέργειας, καθώς χρησιμοποιείται για τη διατήρηση της ισορροπίας, αλλά είναι απαραίτητο για την επιβίωση και τη σωστή λειτουργία. Επιπλέον, υπάρχει συχνά πλεονασμός στα βιολογικά συστήματα, με πολλαπλές οδούς ή μηχανισμούς για την εκτέλεση της ίδιας διαδικασίας. Αυτό εξασφαλίζει ευρωστία αλλά μπορεί να φαίνεται αναποτελεσματική από μια καθαρά ενεργειακή επικεντρωμένη στην προοπτική.

3. Εντροπία και ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής: Όλα τα βιολογικά συστήματα υπόκεινται στον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, ο οποίος δηλώνει ότι η εντροπία (διαταραχή) αυξάνεται πάντοτε σε ένα απομονωμένο σύστημα. Αυτό σημαίνει ότι κάποια ενέργεια θα χαθεί αναπόφευκτα ως θερμότητα κατά τη διάρκεια οποιασδήποτε βιολογικής διαδικασίας. Ενώ τα βιολογικά συστήματα έχουν εξελίξει μηχανισμούς για την ελαχιστοποίηση αυτής της απώλειας, είναι ένας θεμελιώδης περιορισμός που επηρεάζει την αποτελεσματικότητα.

4. Εξελικτικές αντισταθμίσεις: Η φυσική επιλογή ευνοεί τους οργανισμούς που ταιριάζουν καλύτερα στο περιβάλλον τους. Αυτό σημαίνει ότι η ενεργειακή απόδοση, αν και σημαντική, θα μπορούσε να διαπραγματευτεί από άλλα χαρακτηριστικά όπως η ταχύτητα, η δύναμη ή η αναπαραγωγική επιτυχία. Για παράδειγμα, ένας τσίτα πρέπει να είναι γρήγορος, αλλά αυτό έρχεται με το κόστος των ενεργειακών δαπανών.

5. Συγκρίνοντας τα μήλα και τα πορτοκάλια: Η σύγκριση της αποτελεσματικότητας των βιολογικών συστημάτων με εκείνη των ανθρωπογενών μηχανών είναι συχνά μια σύγκριση μήλων-πορτοκαλιών. Τα μηχανήματα έχουν σχεδιαστεί για ένα ενιαίο, συγκεκριμένο έργο με ελάχιστους περιορισμούς, ενώ τα βιολογικά συστήματα πρέπει να προσαρμοστούν σε ένα ευρύ φάσμα συνθηκών και να εκτελούν πολλές λειτουργίες ταυτόχρονα.

Συμπερασματικά: Τα βιολογικά συστήματα είναι αποτελεσματικά στο πλαίσιο των εξελικτικών πιέσεων τους και των σύνθετων βιολογικών διεργασιών που εκτελούν. Ενώ μπορεί να μην είναι τόσο αποτελεσματικά όσο τα ανθρωπογενή μηχανήματα για την εκτέλεση ενός μόνο έργου, είναι εξαιρετικά βελτιστοποιημένα για επιβίωση, προσαρμογή και διατήρηση μιας σύνθετης, ευαίσθητης εσωτερικής ισορροπίας.