A natureza não é homogênea. A maior parte do universo é complexa e composta de vários subsistemas - sistemas autocontidos dentro de um todo maior. Células microscópicas e seus arredores, por exemplo, pode ser dividido em muitos subsistemas diferentes:o ribossomo, a parede celular, e o meio intracelular que envolve a célula.

A Segunda Lei da Termodinâmica nos diz que a entropia média de um sistema fechado em contato com um banho de calor - grosso modo, sua "desordem" - sempre aumenta com o tempo. As poças nunca voltam a congelar na forma compacta de um cubo de gelo e os ovos nunca se descongelam. Mas a Segunda Lei nada diz sobre o que acontece se o sistema fechado for, em vez disso, composto de subsistemas em interação.

Nova pesquisa do professor David Wolpert da SFI publicada no New Journal of Physics considera como um conjunto de subsistemas em interação afeta a segunda lei desse sistema.

"Muitos sistemas podem ser vistos como se fossem subsistemas. E daí? Por que realmente analisá-los como tal, em vez de apenas um sistema monolítico geral, para os quais já temos os resultados, "Wolpert pergunta retoricamente.

O motivo, ele diz, é que se você considerar algo como muitos subsistemas interagindo, você chega a uma "versão mais forte da segunda lei, "que tem um limite inferior diferente de zero para a produção de entropia que resulta da maneira como os subsistemas estão conectados. Em outras palavras, sistemas compostos de subsistemas em interação têm um piso mais alto para a produção de entropia do que um único, sistema uniforme.

Toda entropia produzida é calor que precisa ser dissipado, e também a energia que precisa ser consumida. Portanto, uma melhor compreensão de como as redes de subsistemas afetam a produção de entropia pode ser muito importante para a compreensão da energética de sistemas complexos, como células ou organismos ou mesmo máquinas

O trabalho de Wolpert baseia-se em outro de seus artigos recentes, que também investigou a termodinâmica dos subsistemas. Em ambos os casos, Wolpert usa ferramentas gráficas para descrever subsistemas em interação.

Por exemplo, a figura a seguir mostra as conexões probabilísticas entre três subsistemas - o ribossomo, parede celular, e meio intracelular.

Como uma pequena fábrica, o ribossomo produz proteínas que saem da célula e entram no meio intracelular. Os receptores na parede celular podem detectar proteínas no meio intracelular. O ribossomo influencia diretamente o meio intracelular, mas influencia apenas indiretamente os receptores da parede celular. Um pouco mais matematicamente:A afeta B e B afeta C, mas A não afeta diretamente C.

Por que tal rede de subsistema teria consequências para a produção de entropia?

"Essas restrições - por si mesmas - resultam em uma versão fortalecida da segunda lei, onde você sabe que a entropia tem que estar crescendo mais rápido do que seria o caso sem essas restrições, "Wolpert diz.

A deve usar B como intermediário, portanto, é impedido de agir diretamente sobre C. Essa restrição é o que leva a um piso mais alto na produção de entropia.

Muitas perguntas permanecem. O resultado atual não considera a força das conexões entre A, B, e C - apenas se eles existem. Nem nos diz o que acontece quando novos subsistemas com certas dependências são adicionados à rede. Para responder a essas e mais, Wolpert está trabalhando com colaboradores em todo o mundo para investigar subsistemas e produção de entropia. "Esses resultados são apenas preliminares, " ele diz.