Spontane processen zijn een bron van energie, ze kosten ons geen energie, ze leveren energie. Gravitatie is een bekend voorbeeld van een spontaan proces. Elke massa heeft een potentiële energie (indien…, dan...) in een gravitatie veld. Een gravitatieveld wordt gegenereerd door een distributie van massa’s. Massa’s die gedistribueerd zijn in de ruimte genereren dus potentiële energie. Die potentiële energie is de energie die gebufferd is in de dynamische configuratie van massa’s die rond elkaar cirkelen en een voorlopig evenwicht bereikt hebben. De potentiële energie zal spontaan getransformeerd worden in kinetische energie, een energievorm die we waarnemen en kunnen berekenen vanuit de snelheid van twee massa’s naar elkaar toe. Dit passen we toe wanneer we ruimtesondes, dank zij het gravitatieveld waar de sonde zich bevindt, een hogere snelheid willen geven. Zolang de massa’s niet irreversibel naar elkaar toe bewegen kunnen we dus energie bufferen en bufferen is een cybernetisch concept. De buffering is dynamisch: alle massa’s bewegen ten opzichte van elkaar. De configuratie van buffers is dynamisch. Het is die dynamiek waar we ons voordeel mee doen.
Ook de aardbol zelf buffert volledig spontaan potentiële energie in een gravitatie veld: water dat verdampt heeft een lagere densiteit dan de omringende lucht en stijgt daardoor spontaan in het gravitatieveld, wordt eventueel verplaatst en condenseert dan mogelijks op een hogere locatie als sneeuw. Dit wordt ijs en blijft soms eeuwen lang als vast ijs gebufferd in gletsjers die heel langzaam bewegen onder invloed van gravitatie en dan op een lagere locatie terug smelten. Het ijs is een buffer die we met zekerheid zullen verliezen door de opwarming van de aarde. Dit gebeurt dynamisch maar de dynamiek is slechts waarneembaar over een periode van eeuwen.
Potentiële energie in een gravitatie veld bufferen doen we dus ook door stuwdammen voor water te maken waarmee we voor korte tijd gletsjers kunnen imiteren: we verhinderen dank zij stuwdammen dat het water verder vloeit naar een lagere locatie. We hebben dan turbines ontworpen die we koppelen met generatoren voor elektriciteit, waarmee we om de omzetting van potentiële gravitatie energie in kinetische rotatie energie (evenredig met vij2) verder omzetten in een elektrisch potentiaal en dus een elektrische stroom genereren.
Hier gebruiken we de verhouding vij in zijn interpretatie als afstand (positieverschil) ten opzichte van tijdsverschil, maar we hebben die verhouding ook geabstraheerd. De abstracte willekeurig te kiezen verhouding vij hebben we meer tastbaar gemaakt door daar voorbeelden van te geven. We onderscheiden energiedensiteit (en dus een abstractie van het begrip “vermogen” of “snelheid” of “schaalfactor”) en vermogendensiteit (de verder doorgevoerde abstractie). De parameter als noemer beschouwen we als de eenheid “van de” densiteit (als we veronderstellen dat de teller de intensiteit geeft van de eenheid). De parameter kunnen we kiezen en dan is de gekozen parameter niet anders dan “een vrijheidsgraad” van de energiedensiteit als stap in een proces. We kunnen ook spreken van een vermogen als een intensiteit van energie per bit, gebruik makend van het binair model van een potentiële werkelijkheid met 2n toestanden (bits) voor n onderscheidingen. Er zijn exponentieel minder bits nodig door de inzichten van het haakformalisme in te zetten en dus is de vermogendensiteit van het haakformalisme groter (dus de energie per bit per onderscheiding). Voor het verwerken van data heeft dat grote gevolgen en we kunnen maar hopen dat deze softwaretechnologie ontwikkeld zal worden, in een eerste fase geïmplementeerd in klassieke hardware. De noodzaak hiervan zullen we nu in een energetische context bespreken en we doen ook een voorstel om een nieuw soort hardware te ontwikkelen.
Vanaf het midden van de twintigste eeuw ontstond de technologie (computers en communicatie technologie) om de manipulatie van repertoria van symbolen te automatiseren in materiële dragers die door elektrische energie gevoed worden. In onze computers zorgt het spontaan verval van een klein elektrisch potentiaal voor het doorgaan van een berekening. Al snel werd duidelijk dat er een relatie moest bestaan tussen de hoeveelheid gemanipuleerde informatie en het energieverbruik. Rolf William Landauer bewees halfweg de 20e eeuw dat elke irreversibele logische operatie entropie vermeerdert en dus warmte genereert. Het thermodynamisch vermogen (de term fSjT°j) is dus ook bepalend voor de informatie technologie. Dit heeft geleid tot een steeds verdere miniaturisering van de materiële dragers. De miniaturisering heeft echter zijn kwantumdynamische limieten bij de huidige temperaturen en zelfs bij lagere temperaturen blijft de “Landauer grens” bestaan. Een minder energievretende technologie zal met enkel reversibele logische operaties moeten kunnen werken. We verwachten dat dit ook in het chemisch domein ontwikkeld kan worden: het thermisch vermogen fSjT°j en het chemisch vermogen fnjμj zijn immers uitwisselbaar als we ze leren zien als exergiedensiteit en de studie van (de kwantificatie van) entropie geeft aan welke processen de entropie onveranderd laten.
We hebben ook aangetoond dat we de weerstand van processen kunnen verminderen door nieuwe entiteiten te laten ontstaan. We hebben daar voorbeelden van gegeven en we hebben benadrukt dat een gradiënt dank zij een nieuwe entiteit (een nieuwe vorm) sneller gedissipeerd kan worden (denk aan de Bénard cellen). We stellen daarom dat we, als alternatief voor de huidige codering van informatie in elektrische potentiaalverschillen, nog veel kunnen verwachten van het reversibel veranderen van moleculaire configuraties (in plaats van kwantum configuraties waarop men nu focusseert) als gevolg van een verschil van chemische potentialen en moleculaire flux. De natuurlijke processen, met hun zelforganisatie op verschillende schalen, laten zien hoe met chemische processen energie als potentiële energie gebufferd kan worden in plaats van enkel gedissipeerd te worden als warmte. Tezelfdertijd dissiperen de chemische processen de energie efficiënter. Die natuurlijke processen die nu al doorgaan zijn eigenlijk performante kwantumcomputers “op kamertemperatuur”. Dat betekent dat ze kunnen rekenen op een niveau waarbij er meer energie opgeslagen is in permanente structuren en de vermogendensiteit op een hoger energieniveau varieert. De willekeurige bewegingen die we warmte noemen maken hierbij geen verschil meer dat een verschil maakt, warmte is voor de berekening dan irrelevant. Het warmtebad is relevant voor het reactiemilieu (het houdt het milieu in stand), niet voor de berekeningen. De natuurlijke processen gaan door op de gemiddelde temperatuur op onze aardbol zonder dat ze daarvoor nog meer thermische energie nodig hebben dan de energie die “van nature” reeds beschikbaar is in de specifieke thermische band die dank zij de interactie van alle levende actoren bewaakt wordt.
Om informatie in het chemisch domein te coderen met bits is het noodzakelijk om chemische reacties “aan” of “uit” te kunnen zetten, gelijkaardig met wat er in een halfgeleider gebeurt. Dit is mogelijk door de reactieweerstand te verlagen of te verhogen (bijvoorbeeld door katalyse met molecules die ofwel reactief zijn ofwel niet, bijvoorbeeld door methylering (-CH3 groep koppelen) van een base in het DNA enz…) op specifieke locaties in een macromolecule. Druk en temperatuur (typische thermodynamische parameters) zijn als parameters veel te grof omdat ze ageren op entiteiten los van de onderscheidingen die de individualiteit van de entiteiten kunnen labelen (die daardoor dus veel specifieker zijn dan de onderscheidingen “druk” en “temperatuur”). Chemische reacties zijn stuurbaar met de twee eenheden, zowel aantallen (eenheid 1, de “buffer” is vol of leeg) als chemische potentialen (eenheid 2, de “spanning” is hoog of laag). De weerstand is de verhouding tussen de twee eenheden en is dus de onvermijdelijk derde eenheid. Voor het chemisch vermogen is de ene eenheid de molaire stroom (het aantal deeltjes (of reactielocaties) per processtap) en de andere eenheid het chemisch potentiaal. Het moet daarom in principe mogelijk zijn om in een complexe reactieomgeving elke molecule (reactant, reactieproduct, maar ook oplosmiddel en katalysator) een functie te geven als “control bit” in een reversibele “berekening” die door het moleculaire repertorium gedistribueerd uitgevoerd wordt (verschillende plaatsen gebruiken andere molecules of reactiekernen als “control bit”). Het aantal molecules (dus met de dimensie “per mol”) heeft de grootteorde van 1023 (de constante van Avogadro). Water heeft bijvoorbeeld een molaire massa van 18,015 gram per mol. Dat betekent dat er in 18,015 gram water 1023 molecules onderscheiden kunnen worden. Dus 1023 zou ook de grootte orde kunnen zijn van een groot aantal actieve molecules in een ecologie met micro-organismen in waterig milieu (bacteriën, gisten, virussen, …) en dus in een omgeving op kamertemperatuur (en dat worden dan de speciale kwantum computers waarvan iedereen zoveel verwacht). De resultaten die nu geboekt worden in de grote genoomprojecten die de microbiomen in kaart aan het brengen zijn zouden daarin kunnen toegepast worden en we moeten daarom niet noodzakelijk nieuwe bacteriën, gisten, virussen, … synthetiseren. De sporen die achtergelaten worden door de micro-organismen in allerhande vormen zijn “dynamische geheugens” waarbij de invarianten (de data die moeten bewaard worden en het resultaat zijn van berekening) op verschillende manieren gerealiseerd worden. We moeten ze op twee manieren kunnen gebruiken, enerzijds als “de spanning”, de “gradiënt”, die invariant is en beschikbaar wordt door replicatie van hun genetische structuur en die de eenheid van de meting vastlegt, anderzijds hun aantal dat de intensiteit van die eenheid bepaalt. Sommige eenheden en aantallen zullen equivalent blijken te zijn. En alhoewel de processen trager zijn dan de elektronische processen, wordt de performantie mogelijk door de kwantum eigenschappen van de interacties (de structuur van de tralie) te gebruiken.
In een eerste stap hebben we met een willekeurig voorbeeld enkele configuratie eigenschappen van moleculair-genetische codes in het haakformalisme vertaald om te laten we zien dat logische berekeningen en de structuur van een tralie in chemisch milieu in principe mogelijk zijn. Het zal echter nog veel onderzoek vragen om een werkende vertaling te maken. Die vertaling moet immers gemakkelijk “uitgelezen” en geïnterpreteerd kunnen worden. De snelheid waarmee vandaag complexe molecules kunnen gecatalogiseerd worden (denk aan DNA) is al enorm toegenomen en kan verder geautomatiseerd worden en de eerste stappen om hiermee te rekenen zijn reeds gezet. Het idee is dus zeker niet nieuw en de “biologische computer” (in de vorm van de ecologie in een vijver) werd in de jaren 50 van vorige eeuw reeds gesuggereerd door Stafford Beer en Gordon Pask.
Behalve gravitatie kennen we veel voorbeelden van een spontane verandering met constante eigenwaarde. Die spontane processen kosten ons dus geen energie. We hebben al een toepassing uitgewerkt van de buffering van materiaalspanning in een structuur als voorbeeld van energiedensiteit. Ook op andere manieren wordt er energie gebufferd in molecules maar we maken daar tot nu toe geen gebruik van. De reden hiervoor is dat we ons nog steeds onzeker voelen in dynamisch veranderende contexten omdat we er de modellen niet van begrijpen. We blijven eisen dat ware uitspraken onafhankelijk moeten zijn van dynamiek.
Veel elektrische energie wordt gegenereerd vanuit thermisch vermogen en onze honger naar thermische energie dreigt onze ondergang te worden. Het vermogen van straling kunnen we echter ook rechtstreeks in elektrische energie omzetten (bijvoorbeeld in fotovoltaïsche cellen) en er wordt onderzoek gedaan naar het rechtstreeks omzetten van straling in chemisch vermogen juist omdat elektrisch vermogen zo moeilijk te bufferen is. Een chemisch vermogen zouden we ook rechtstreeks kunnen gebruiken in plaats van het eerst om te zetten in thermisch vermogen (bijvoorbeeld verbranding van organisch materiaal) dat we dan in elektrisch vermogen moeten omzetten om het zinvol te kunnen gebruiken (in een berekening) of het te bufferen in een batterij. Op een dynamische manier buffert het leven al heel lang energie in biotische organismen.
Zoals ook het geval was met de ontwikkeling van de elektronische computers (die ons in staat stelden de informatiestromen in de zenuwbanen van ons lichaam beter te begrijpen), zal de ontwikkeling van een (micro)biotische computer ons in staat stellen om de interactie van zoveel andere processen in en rondom ons eigen lichaam beter te begrijpen (denkend aan die grote aantallen en soorten bacteriën, gisten en virussen). Misschien gaan we dan ook beseffen dat we ook “met onze ingewanden” denken, gelijkaardig als wat we doen “met onze hersenen”. En uiteraard sluit het ene soort rekenen niet het andere soort rekenen uit. Wellicht is het allesbehalve toeval dat “hersenen” en “ingewanden” klokken zijn die met elkaar communiceren, naar analogie met de linker hersenhelft en de rechter hersenhelft die beide andere berekeningen uitvoeren.
Misschien krijgen we dan meer respect voor het enorme en dynamische geheugen van onze aardbol, iets dat we moeten koesteren en beschermen. Zowel hoeveelheid (groot aantal per soort) als diversiteit (groot aantal soorten) zijn belangrijk om de entropie productie te beperken en de energiedensiteit dynamisch te sturen.
Conjuncties van entiteiten die zowel robuust zijn als adaptief zijn kunnen we gebruiken als een karakterisering van “levende” entiteiten. Leven willen we niet vernietigen, we willen het beschermen en uitbreiden. Leven kan afhankelijk van de context geïnterpreteerd worden en kunnen we herkennen in gesloten causale lussen (klokken) die sporen genereren die andere klokken mogelijk maken.