Stávající zákony termodynamiky mohou být nedostatečné k úplnému vysvětlení chování živých organismů a nedávné experimenty s lidskými buňkami naznačují potřebu čtvrtého zákona přizpůsobeného biologickým systémům. Zavedené principy fyziky, zejména ty, které řídí teplo a entropii, jsou spolehlivé pro idealizované, neživé systémy. Inherentní složitost života – jeho propojené buňky a aktivní spotřeba energie – však přináší faktory, které je pro stávající zákony obtížné zachytit.
Jedinečná nerovnováha života
Živé systémy jsou zásadně ve stavu nerovnováhy. Na rozdíl od inertní hmoty si buňky udržují dynamický stav prostřednictvím neustálého toku energie a mechanismů zpětné vazby. Jasně to dokazuje buněčné „pravidlo“, ve kterém se vnitřní procesy samy regulují, aby udržely stabilitu, jako termostat. Standardní termodynamika navržená pro pasivní systémy tomuto aktivnímu chování snadno nevyhovuje.
Aby to prozkoumali, provedli vědci z Technické univerzity v Drážďanech v Německu experimenty s lidskými buňkami HeLa, kontroverzní buněčnou linií získanou bez souhlasu Henrietty Lacksové v 50. letech minulého století. Tím, že zastavili dělení buněk a zkoumali jejich membrány pomocí mikroskopie atomárních sil, analyzovali fluktuace buněčného chování za různých podmínek.
Limity stávajících modelů
Studie zjistila, že tradiční termodynamická měření, jako je „efektivní teplota“, jsou při aplikaci na živé systémy nedostatečná. Efektivní teplota se pokouší kvantifikovat nerovnováhu stejným způsobem, jako ohřívání pánve s vodou zvyšuje její teplotu. Buňky se však chovají jinak. Místo toho vědci zjistili, že “asymetrie obrácení času” poskytuje přesnější míru nerovnováhy v biologických procesech.
Asymetrie časového obrácení zkoumá, jak odlišný by byl proces, kdyby byl spuštěn obráceně namísto dopředu. Biologické procesy řídící přežití a reprodukci vykazují inherentní asymetrii, která je odlišuje od reverzibilních fyzikálních reakcí. To naznačuje, že míra, do jaké se systém vzpírá časové symetrii, přímo koreluje s jeho „životností“.
Důsledky a budoucí výzkum
Tato zjištění poskytují cenné nástroje pro kvantifikaci nerovnováhy v živých systémech. Odborníci jako Chase Brodesz z Vrije Universiteit Amsterdam zdůrazňují důležitost přesného měření toho, jak moc se systém odchyluje od rovnováhy. Yair Shokef z Tel Avivské univerzity poznamenává, že tato studie je nová ve své schopnosti současně měřit více charakteristik nerovnováhy.
Konečným cílem je vyvinout čtvrtý termodynamický zákon, specifický pro živou hmotu, kde procesy probíhají kolem rovnovážného bodu. Vědci již pracují na identifikaci měřitelných fyziologických ukazatelů, které by mohly sloužit jako základ pro tento nový zákon.
Pochopení života pomocí termodynamických principů vyžaduje další významný výzkum. Schopnost měřit a kvantifikovat jedinečnou nerovnováhu biologických systémů je kritickým krokem k úplnějšímu pochopení základní fyziky života.
