De huidige wetten van de thermodynamica zijn mogelijk onvoldoende om het gedrag van levende organismen volledig te verklaren, en recente experimenten met menselijke cellen suggereren de noodzaak van een vierde wet die is toegesneden op biologische systemen. De gevestigde natuurkundige principes, met name die welke warmte en entropie beheersen, zijn robuust voor geïdealiseerde, niet-levende systemen. De inherente complexiteit van het leven – de onderling verbonden cellen en het actieve energieverbruik – introduceert echter factoren die met bestaande wetten moeilijk te vangen zijn.
De unieke onevenwichtigheid van het leven
Levende systemen zijn fundamenteel uit evenwicht. In tegenstelling tot inerte materie behouden cellen een dynamische toestand door middel van constante energie-input en feedbackmechanismen. Dit wordt geïllustreerd door een cellulair ‘instelpunt’, waarbij interne processen zichzelf reguleren om de stabiliteit te behouden, net als een thermostaat. De standaard thermodynamica, ontworpen voor passieve systemen, is niet gemakkelijk geschikt voor dit actieve gedrag.
Om dit te onderzoeken voerden onderzoekers van de Technische Universiteit van Dresden in Duitsland experimenten uit met menselijke HeLa-cellen – een controversiële cellijn die in de jaren vijftig zonder toestemming van Henrietta Lacks was afgeleid. Door de celdeling een halt toe te roepen en hun membranen te onderzoeken met atoomkrachtmicroscopie, analyseerden ze fluctuaties in cellulair gedrag onder verschillende omstandigheden.
De grenzen van bestaande modellen
Uit het onderzoek bleek dat conventionele thermodynamische metingen, zoals ‘effectieve temperatuur’, tekortschieten als ze worden toegepast op levende systemen. Effectieve temperatuur probeert onevenwichtigheden te kwantificeren, op dezelfde manier als hoe het verwarmen van een pot water de temperatuur verhoogt. Cellen gedragen zich echter niet op dezelfde manier. In plaats daarvan ontdekten de onderzoekers dat “time reversal asymmetry”** een nauwkeurigere maatstaf biedt voor onevenwichtigheid in biologische processen.
Tijdomkeerasymmetrie onderzoekt hoe anders een proces zou zijn als het achteruit zou gaan in plaats van vooruit. Biologische processen, aangedreven door overleving en replicatie, vertonen inherent asymmetrie, waardoor ze zich onderscheiden van omkeerbare fysieke reacties. Dit suggereert dat de mate waarin een systeem de symmetrie van de tijd tart, direct correleert met zijn ‘levendigheid’.
Implicaties en toekomstig onderzoek
De bevindingen bieden waardevolle hulpmiddelen voor het kwantificeren van onevenwichtigheden in levende systemen. Experts zoals Chase Broedersz van de Vrije Universiteit Amsterdam benadrukken het belang van het nauwkeurig meten van hoe ver een systeem afwijkt van het evenwicht. Yair Shokef van de Universiteit van Tel Aviv merkt op dat deze studie nieuw is in zijn vermogen om meerdere niet-evenwichtskenmerken tegelijkertijd te meten.
Het uiteindelijke doel is om een vierde wet van de thermodynamica te ontwikkelen die specifiek is voor levende materie, waarbij processen rond een vast punt werken. Onderzoekers zijn al bezig met het identificeren van meetbare fysiologische indicatoren die als basis voor deze nieuwe wet kunnen dienen.
Het begrijpen van het leven via thermodynamische principes vereist aanzienlijk verder onderzoek. Het vermogen om de unieke onevenwichtigheid van biologische systemen te meten en te kwantificeren is een cruciale stap op weg naar een vollediger begrip van de fundamentele fysica van het leven.
