Les lois actuelles de la thermodynamique pourraient être insuffisantes pour expliquer pleinement le comportement des organismes vivants, et des expériences récentes avec des cellules humaines suggèrent la nécessité d’une quatrième loi adaptée aux systèmes biologiques. Les principes établis de la physique, en particulier ceux qui régissent la chaleur et l’entropie, sont robustes pour les systèmes idéalisés et non vivants. Cependant, la complexité inhérente à la vie – ses cellules interconnectées et sa consommation d’énergie active – introduit des facteurs que les lois existantes ont du mal à saisir.
Le déséquilibre unique de la vie
Les systèmes vivants sont fondamentalement hors d’équilibre. Contrairement à la matière inerte, les cellules maintiennent un état dynamique grâce à un apport d’énergie constant et à des mécanismes de rétroaction. Ceci est illustré par un « point de consigne » cellulaire, où les processus internes s’autorégulent pour maintenir la stabilité, un peu comme un thermostat. La thermodynamique standard, conçue pour les systèmes passifs, ne s’adapte pas facilement à ce comportement actif.
Pour étudier cela, des chercheurs de l’Université de technologie de Dresde en Allemagne ont mené des expériences en utilisant des cellules humaines HeLa, une lignée cellulaire controversée dérivée sans le consentement d’Henrietta Lacks dans les années 1950. En arrêtant la division cellulaire et en sondant leurs membranes par microscopie à force atomique, ils ont analysé les fluctuations du comportement cellulaire dans diverses conditions.
Les limites des modèles existants
L’étude a révélé que les mesures thermodynamiques conventionnelles, comme la « température effective », ne suffisent pas lorsqu’elles sont appliquées aux systèmes vivants. La température effective tente de quantifier le déséquilibre de la même manière que le chauffage d’une casserole d’eau augmente sa température. Cependant, les cellules ne se comportent pas de la même manière. Au lieu de cela, les chercheurs ont découvert que l’« asymétrie d’inversion du temps » offre une mesure plus précise du déséquilibre des processus biologiques.
L’asymétrie d’inversion du temps explore à quel point un processus serait différent s’il était exécuté en arrière plutôt qu’en avant. Les processus biologiques, motivés par la survie et la réplication, présentent par nature une asymétrie, ce qui les distingue des réactions physiques réversibles. Cela suggère que le degré auquel un système défie la symétrie du temps est directement en corrélation avec sa « vivacité ».
Implications et recherches futures
Les résultats fournissent des outils précieux pour quantifier le déséquilibre dans les systèmes vivants. Des experts comme Chase Broedersz de la Vrije Universiteit Amsterdam soulignent l’importance de mesurer avec précision dans quelle mesure un système s’écarte de l’équilibre. Yair Shokef de l’Université de Tel Aviv note que cette étude est nouvelle dans sa capacité à mesurer simultanément plusieurs caractéristiques hors équilibre.
Le but ultime est de développer une quatrième loi de la thermodynamique spécifique à la matière vivante, où les processus fonctionnent autour d’un point de consigne. Les chercheurs travaillent déjà à identifier des indicateurs physiologiques mesurables qui pourraient servir de base à cette nouvelle loi.
Comprendre la vie à travers les principes thermodynamiques nécessite des recherches plus approfondies. La capacité de mesurer et de quantifier le déséquilibre unique des systèmes biologiques constitue une étape cruciale vers une compréhension plus complète de la physique fondamentale de la vie.
