Die aktuellen Gesetze der Thermodynamik reichen möglicherweise nicht aus, um das Verhalten lebender Organismen vollständig zu erklären, und jüngste Experimente mit menschlichen Zellen legen die Notwendigkeit eines vierten Hauptsatzes nahe, der auf biologische Systeme zugeschnitten ist. Die etablierten Prinzipien der Physik, insbesondere diejenigen, die Wärme und Entropie regeln, sind für idealisierte, nicht lebende Systeme robust. Allerdings bringt die inhärente Komplexität des Lebens – seine miteinander verbundenen Zellen und sein aktiver Energieverbrauch – Faktoren mit sich, die bestehende Gesetze nur schwer erfassen können.
Das einzigartige Ungleichgewicht des Lebens
Lebende Systeme befinden sich grundsätzlich aus dem Gleichgewicht. Im Gegensatz zu inerter Materie behalten Zellen durch ständige Energiezufuhr und Rückkopplungsmechanismen einen dynamischen Zustand bei. Dies wird durch einen zellulären „Sollwert“ veranschaulicht, an dem sich interne Prozesse selbst regulieren, um die Stabilität aufrechtzuerhalten, ähnlich wie bei einem Thermostat. Die für passive Systeme konzipierte Standard-Thermodynamik berücksichtigt dieses aktive Verhalten nicht ohne weiteres.
Um dies zu untersuchen, führten Forscher der Technischen Universität Dresden in Deutschland Experimente mit menschlichen HeLa-Zellen durch – einer umstrittenen Zelllinie, die in den 1950er Jahren ohne Zustimmung von Henrietta Lacks abgeleitet wurde. Indem sie die Zellteilung stoppten und ihre Membranen mit Rasterkraftmikroskopie untersuchten, analysierten sie Schwankungen im Zellverhalten unter verschiedenen Bedingungen.
Die Grenzen bestehender Modelle
Die Studie ergab, dass herkömmliche thermodynamische Messgrößen wie die „effektive Temperatur“ bei der Anwendung auf lebende Systeme nicht ausreichen. Die effektive Temperatur versucht, das Ungleichgewicht zu quantifizieren, ähnlich wie das Erhitzen eines Topfes Wasser seine Temperatur erhöht. Zellen verhalten sich jedoch nicht auf die gleiche Weise. Stattdessen fanden die Forscher heraus, dass die „Zeitumkehrasymmetrie“ ein genaueres Maß für das Ungleichgewicht in biologischen Prozessen bietet.
Die Zeitumkehrasymmetrie untersucht, wie anders ein Prozess wäre, wenn er rückwärts statt vorwärts ausgeführt würde. Biologische Prozesse, die durch Überleben und Replikation gesteuert werden, weisen von Natur aus eine Asymmetrie auf, was sie von reversiblen physikalischen Reaktionen unterscheidet. Dies legt nahe, dass der Grad, in dem ein System der Zeitsymmetrie trotzt, direkt mit seiner „Lebendigkeit“ korreliert.
Implikationen und zukünftige Forschung
Die Ergebnisse liefern wertvolle Werkzeuge zur Quantifizierung des Ungleichgewichts in lebenden Systemen. Experten wie Chase Broedersz von der Vrije Universiteit Amsterdam betonen, wie wichtig es ist, genau zu messen, wie weit ein System vom Gleichgewicht abweicht. Yair Shokef von der Universität Tel Aviv stellt fest, dass diese Studie in ihrer Fähigkeit, mehrere Nichtgleichgewichtsmerkmale gleichzeitig zu messen, neu ist.
Das ultimative Ziel besteht darin, einen vierten Hauptsatz der Thermodynamik speziell für lebende Materie zu entwickeln, bei dem Prozesse um einen festgelegten Punkt herum ablaufen. Forscher arbeiten bereits daran, messbare physiologische Indikatoren zu identifizieren, die als Grundlage für dieses neue Gesetz dienen könnten.
Das Verständnis des Lebens anhand thermodynamischer Prinzipien erfordert erhebliche weitere Forschung. Die Fähigkeit, das einzigartige Ungleichgewicht biologischer Systeme zu messen und zu quantifizieren, ist ein entscheidender Schritt zu einem umfassenderen Verständnis der grundlegenden Physik des Lebens.
