Fizyka termodynamiki, która obejmuje wielkości takie jak ciepło i entropia, oferuje ustalone narzędzia do określenia stopnia oddalenia od równowagi idealnego systemu cząstek. Ale jeśli chodzi o życie, z jego skomplikowanymi połączonymi ze sobą komórkami, nie jest jasne, czy nasz obecny zbiór praw termodynamicznych jest wystarczający – a zestaw eksperymentów z udziałem ludzkich komórek może być pierwszym krokiem w kierunku stworzenia nowego.
Termodynamika jest istotna dla życia, ponieważ wyjście z równowagi jest jedną z jego kluczowych cech. Jednakże, ponieważ komórki są wypełnione cząsteczkami, które aktywnie pobierają energię, stan komórki różni się od stanu na przykład zbioru koralików unoszących się w cieczy. Komórki biologiczne mają tzw. punkt ustawienia, co oznacza, że zachowują się, jakby podążały za wewnętrznym termostatem. Istnieje mechanizm sprzężenia zwrotnego, który przywraca je do punktu ustawienia, co pozwala im zachować sprawność. To tego rodzaju zachowanie może być trudne do uchwycenia za pomocą klasycznej termodynamiki.
Narinder i Elisabeth Fischer-Friedrich z Politechniki w Dreźnie w Niemczech chcieli dokładnie zrozumieć, w jaki sposób dysproporcja w systemach żywych różni się od stanu dysproporcji w systemie nieożywionym. Dokonali tego za pomocą ludzkich komórek HeLa – linii komórek rakowych powszechnie wykorzystywanych w badaniach naukowych, które zostały pobrane bez zgody od Afrykanki o imieniu Henrietta Lacks w latach 50-tych. Najpierw badacze użyli substancji chemicznych, aby zatrzymać komórki w połowie podziału komórkowego, a następnie badali ich zewnętrzne błony za pomocą końcówki mikroskopu sił atomowych, która może precyzyjnie oddziaływać z obiektami tylko o ułamku nanometra szerokości. Dzięki temu łatwiej było ocenić sposób, w jaki fluktuowała każda błona komórki, czyli jak bardzo końcówka mikroskopu drżała, i jak te fluktuacje zmieniały się, gdy badacze ingerowali w niektóre procesy komórki, takie jak przerywanie przemiany niektórych cząsteczek lub ruch pewnych białek.
Odkryli, że dla tych fluktuacji jedna standardowa “przepis” termodynamiczny, który wyjaśniałby zachowanie systemu nieożywionego, nie był już w pełni dokładny. Szczególnie idea “temperatury efektywnej” okazała się niedokładna. Jest to pojęcie mające na celu uchwycenie czegoś podobnego do naszego zrozumienia tego, że temperatura rośnie, gdy zabieramy system, tak jak garnek z wodą, z równowagi poprzez jego podgrzewanie.
Jednak badacze doszli do wniosku, że bardziej przydatną wielkością dla uchwycenia stopnia dysproporcji życia jest właściwość nazywana “asymetrią odwracalności w czasie”. Badają oni, na ile dany proces biologiczny – na przykład, cząsteczki łączą się wielokrotnie w większe cząsteczki, zanim się rozpadną – różniłby się, gdyby działał wstecz, a nie naprzód w czasie. Obecność asymetrii odwracalności w czasie może być bezpośrednio związana z faktem, że procesy biologiczne służą celowi, takiemu jak przeżycie i proliferacja, mówi Fischer-Friedrich.
“Wiemy w biologii, że wiele procesów naprawdę polega na tym, że system jest poza równowagą, ale naprawdę ważne jest wiedzieć, jak daleko system jest poza równowagą” – mówi Chase Broedersz z Uniwersytetu Vrije w Amsterdamie w Holandii. Nowe badanie identyfikuje cenne nowe narzędzia do określenia tego, dodaje.
To ważny krok w kierunku poprawy naszego zrozumienia aktywnych, biologicznych systemów, mówi Yair Shokef z Uniwersytetu w Tel Awiwie w Izraelu. Mówi, że fakt, iż zespół mógł eksperymentalnie mierzyć nie tylko asymetrię odwracalności w czasie, ale kilka innych miar nierównowagi jednocześnie, jest zarówno nowatorski, jak i przydatny.
Jednakże może być konieczne podjęcie wielu kolejnych kroków, jeśli chcemy zrozumieć życie za pomocą zasad termodynamiki. Fischer-Friedrich mówi, że ostatecznie zespół chce wydedukować coś w rodzaju czwartej zasady termodynamiki, która będzie stosowana tylko do materii żywej, gdzie procesy mają punkt ustawienia. Już teraz pracują nad identyfikacją obserwabli fizjologicznych – konkretnych rzeczy do pomiaru w komórkach – od których mógłby się rozpocząć proces wydedukowania takiej zasady.
