Jak se konvektivní bouře podobá živé buňce

Vývoj konvektivní bouře (bouřky) se v mnohém podobá fungování živé soustavy. Také při něm dochází ke zvyšování uspořádanosti, a tím ke zdánlivému porušování 2. termodynamického zákona. Je tomu však doopravdy?

Nedávno jsem měl možnost pozorovat pěkný vývoj konvektivní bouře v prostoru přibližně nad soutokem Chrudimky a Novohradky ve východních Čechách. Následující fotografie jsou pořízeny v pondělí 26. srpna z koupaliště Konopáč u Heřmanova Městce kolem páté hodiny odpolední. Byl to celkem horký letní den, který umožnil, aby se v atmosféře nahromadil dostatek energie.

Vývoj konvektivní bouře

Ve vývoji bouře je patrná fázecumulus congestus, což je pořád ještě jenom mohutná kupa. Už z ní mohou padat přeháňky, ale nic hrozného. V dalších fázích se mění v typický bouřkový oblak typu cumulonimbus (konkrétně cumulonimbus calvus). V něm se již vyskytují blesky a silné srážky. Oblak se v průběhu pozorování přesouvá dále k severu směrem na Pardubice, ale zdá se, že tentokráte svůj vývoj již ukončil a brzy se rozplyne.

Pokud se však sejdou vhodné podmínky, dokáží některé bouřkové oblaky dál hromadit energii a zvyšovat intenzitu srážek i větru. Začne-li takový oblak rotovat a vytvoří se tzv. supercelulární bouře (zároveň asi nejfotogeničtější bouřkový oblak), je zaděláno na problém – hrozí krupobití a v extrémních případech též další jevy jako “downburst” (česky asi průtrž, neboli bublina velmi studeného vzduchu, která narazí na zem a působí značné škody) či (u nás řidčeji) tornádo (větrný vír).

Celé je to způsobeno docela zajímavými pochody. Na začátku je trochu vlhčí vzduch a tzv. instabilní rozvrstvení atmosféry (s výškou klesá teplota rychleji než učebnicových 0,65 stupňů na 100 metrů). Někdy se však za této situace vlivem konvekce (tepelné proudění plynů a kapalin) a fázových přechodů vody, při nichž se uvolňuje značná tepelná energie (jak pára stoupá vzhůru, ochlazuje se, takže postupně kondenzuje ve vodní kapky, a ty následně tuhnou v ledové krystalky), vytvoří útvar, který částečně dokáže pohánět sám sebe (účinně nasává vzduch ze svého okolí a pak využívá konvekce a fázových přechodů páry v něm obsažené). Vlastně je to takový tepelný stroj. Hle – z chaosu povstal určitý řád. Nejdřív jenom nestabilní vzduch, na konci docela organizovaný útvar, který umí produkovat elektřinu. To vše za několik desítek minut. Ani bouřka však netrvá věčně, tepelný stroj posléze už nedokáže dále hromadit energii a bouřkový oblak se postupně rozpadá. Jeho energie je postupně vyzářena do okolí a přispívá k nárůstu chaotického chování atmosféry.

Fyzika takové útvary označuje jako disipující systémy – samy nakrátko zvýší svou uspořádanost, ale tím pouze katalyzují nárůst neuspořádanosti okolí. Entropie celého systému, zahrnujícího disipující systém i jeho okolí, tedy stále roste, zcela ve shodě s 2. termodynamickým zákonem. Disipující systém je vlastně takový katalyzátor nárůstu celkové entropie systému. Aby se ovšem disipující systém vytvořil, je zapotřebí splnit podmínku, aby to byl systém otevřený (tj. přijímal energii i hmotu z vnějšku a nějakým způsobem je opět vydával). Dále disipující systém potřebuje zdroj té energie.

Úplně stejně fungují i všechny živé organismy. Přesto někteří silně nábožensky zapálení lidé říkají, že život funguje v rozporu s termodynamickými zákony, jaksi proti nim, protože přece vše směřuje k vyšší entropii (neuspořádanosti), avšak u života je patrný nárůst uspořádanosti. Dokazují tím existenci božské síly, která život pohání proti fyzikálním zákonům. Jenže to je omyl. Živé organismy také fungují jako disipující systémy. Jsou sice neskonale organizovanější než letní bouřka, ale princip jejich fungování je obdobný. Dokud mají k dispozici zdroj energie, rostou a zvyšují svou uspořádanost. Zároveň ovšem zvyšují neuspořádanost okolí (např. tím, že vyzařují neužitečné teplo) a po své smrti se postupně rozloží. Zdrojem energie je u bouřky i většiny živých organismů na Zemi Slunce (jen menší část z nich využívá jako primární zdroj energie určité chemické reakce).

Život tedy neporušuje termodynamické zákony. Dokonce ani jeho vznik není s těmito zákony v rozporu. Pokud za několik desítek minut dokáže v atmosféře vzniknout tak organizovaný tepelný stroj, produkující elektřinu a vítr, jenž někdy rozmetá i dům, tak proč by za stovky milionů let nemohlo postupnou evolucí, umožňující nárůst uspořádanosti, vzniknout něco tak vysoce organizovaného, jako je buňka?