Le attuali leggi della termodinamica potrebbero essere insufficienti per spiegare completamente il comportamento degli organismi viventi, e recenti esperimenti con cellule umane suggeriscono la necessità di una quarta legge adattata ai sistemi biologici. I principi consolidati della fisica, in particolare quelli che governano il calore e l’entropia, sono robusti per i sistemi idealizzati e non viventi. Tuttavia, la complessità intrinseca della vita – le sue cellule interconnesse e il consumo attivo di energia – introduce fattori che le leggi esistenti faticano a catturare.
Lo squilibrio unico della vita
I sistemi viventi sono fondamentalmente fuori equilibrio. A differenza della materia inerte, le cellule mantengono uno stato dinamico attraverso un costante apporto di energia e meccanismi di feedback. Ciò è esemplificato da un “set point” cellulare, in cui i processi interni si autoregolano per mantenere la stabilità, proprio come un termostato. La termodinamica standard, progettata per i sistemi passivi, non consente facilmente questo comportamento attivo.
Per indagare su questo, i ricercatori dell’Università della Tecnologia di Dresda, in Germania, hanno condotto esperimenti utilizzando cellule umane HeLa, una controversa linea cellulare derivata senza consenso da Henrietta Lacks negli anni ’50. Arrestando la divisione cellulare e sondando le loro membrane con la microscopia a forza atomica, hanno analizzato le fluttuazioni del comportamento cellulare in varie condizioni.
I limiti dei modelli esistenti
Lo studio ha rivelato che le misure termodinamiche convenzionali, come la “temperatura effettiva”, non sono all’altezza se applicate ai sistemi viventi. La temperatura efficace tenta di quantificare il disequilibrio in modo simile a come riscaldare una pentola d’acqua ne aumenta la temperatura. Tuttavia, le cellule non si comportano allo stesso modo. Invece, i ricercatori hanno scoperto che l’“asimmetria dell’inversione temporale”** offre una misura più accurata del disequilibrio nei processi biologici.
L’asimmetria dell’inversione temporale esplora quanto diverso sarebbe un processo se eseguito all’indietro anziché in avanti. I processi biologici, guidati dalla sopravvivenza e dalla replicazione, mostrano intrinsecamente asimmetria, distinguendoli dalle reazioni fisiche reversibili. Ciò suggerisce che il grado in cui un sistema sfida la simmetria del tempo è direttamente correlato alla sua “vitalità”.
Implicazioni e ricerca futura
I risultati forniscono strumenti preziosi per quantificare il disequilibrio nei sistemi viventi. Esperti come Chase Broedersz della Vrije Universiteit Amsterdam sottolineano l’importanza di misurare con precisione quanto un sistema si discosta dall’equilibrio. Yair Shokef dell’Università di Tel Aviv osserva che questo studio è nuovo nella sua capacità di misurare simultaneamente più caratteristiche di non equilibrio.
L’obiettivo finale è sviluppare una quarta legge della termodinamica specifica per la materia vivente, in cui i processi operano attorno a un punto prestabilito. I ricercatori stanno già lavorando per identificare indicatori fisiologici misurabili che potrebbero fungere da base per questa nuova legge.
Comprendere la vita attraverso i principi termodinamici richiede ulteriori ricerche significative. La capacità di misurare e quantificare il disequilibrio unico dei sistemi biologici è un passo cruciale verso una comprensione più completa della fisica fondamentale della vita.
