Hukum termodinamika yang ada saat ini mungkin tidak cukup untuk menjelaskan sepenuhnya perilaku organisme hidup, dan eksperimen terbaru dengan sel manusia menunjukkan perlunya hukum keempat yang disesuaikan dengan sistem biologis. Prinsip-prinsip fisika yang sudah ada, khususnya yang mengatur panas dan entropi, kuat untuk sistem benda mati yang ideal. Namun, kompleksitas yang melekat dalam kehidupan—sel-sel yang saling berhubungan dan konsumsi energi aktif—menyebabkan faktor-faktor yang sulit untuk dipenuhi oleh hukum yang ada.
Ketidakseimbangan Kehidupan yang Unik
Sistem kehidupan pada dasarnya berada di luar keseimbangan. Tidak seperti materi inert, sel mempertahankan keadaan dinamis melalui masukan energi yang konstan dan mekanisme umpan balik. Hal ini dicontohkan dengan “titik setel” seluler, di mana proses internal mengatur dirinya sendiri untuk menjaga stabilitas, seperti termostat. Termodinamika standar, yang dirancang untuk sistem pasif, tidak dengan mudah mengakomodasi perilaku aktif ini.
Untuk menyelidiki hal ini, para peneliti di Universitas Teknologi Dresden di Jerman melakukan eksperimen menggunakan sel manusia HeLa—sebuah garis sel kontroversial yang diperoleh tanpa persetujuan dari Henrietta Lacks pada tahun 1950an. Dengan menghentikan pembelahan sel dan memeriksa membrannya dengan mikroskop kekuatan atom, mereka menganalisis fluktuasi perilaku seluler dalam berbagai kondisi.
Batasan Model yang Ada
Studi tersebut mengungkapkan bahwa pengukuran termodinamika konvensional, seperti “suhu efektif”, tidak berhasil diterapkan pada sistem kehidupan. Suhu efektif berupaya mengukur ketidakseimbangan dengan cara yang sama seperti memanaskan sepanci air akan meningkatkan suhunya. Namun, sel tidak berperilaku sama. Sebaliknya, para peneliti menemukan bahwa “asimetri pembalikan waktu” menawarkan ukuran ketidakseimbangan yang lebih akurat dalam proses biologis.
Asimetri pembalikan waktu mengeksplorasi betapa berbedanya suatu proses jika dijalankan mundur, bukan maju. Proses biologis, yang didorong oleh kelangsungan hidup dan replikasi, secara inheren menunjukkan asimetri, yang membedakannya dari reaksi fisik yang dapat dibalik. Hal ini menunjukkan bahwa sejauh mana suatu sistem menentang simetri waktu berkorelasi langsung dengan “kehidupannya”.
Implikasi dan Penelitian Masa Depan
Temuan ini memberikan alat yang berharga untuk mengukur ketidakseimbangan dalam sistem kehidupan. Para ahli seperti Chase Broedersz di Vrije Universiteit Amsterdam menekankan pentingnya mengukur secara tepat seberapa jauh suatu sistem menyimpang dari keseimbangan. Yair Shokef di Universitas Tel Aviv mencatat bahwa penelitian ini merupakan hal baru dalam kemampuannya mengukur beberapa karakteristik non-ekuilibrium secara bersamaan.
Tujuan utamanya adalah untuk mengembangkan hukum keempat termodinamika khusus untuk makhluk hidup, di mana proses beroperasi di sekitar titik tertentu. Para peneliti telah berupaya mengidentifikasi indikator fisiologis terukur yang dapat menjadi dasar undang-undang baru ini.
Memahami kehidupan melalui prinsip termodinamika memerlukan penelitian lebih lanjut yang signifikan. Kemampuan untuk mengukur dan mengukur ketidakseimbangan unik sistem biologis merupakan langkah penting menuju pemahaman yang lebih lengkap tentang fisika fundamental kehidupan.
