Istniejące prawa termodynamiki mogą być niewystarczające, aby w pełni wyjaśnić zachowanie organizmów żywych, a ostatnie eksperymenty z komórkami ludzkimi wskazują na potrzebę czwartego prawa dostosowanego do układów biologicznych. Ustalone zasady fizyki, szczególnie te regulujące ciepło i entropię, są niezawodne w przypadku wyidealizowanych, nieożywionych układów. Jednak nieodłączna złożoność życia – jego wzajemnie połączone komórki i zużycie energii czynnej – wprowadza czynniki, które są trudne do uchwycenia przez istniejące prawa.
Wyjątkowa nierównowaga życia
Systemy żywe zasadniczo znajdują się w stanie braku równowagi. W przeciwieństwie do materii obojętnej, komórki utrzymują stan dynamiczny poprzez stały przepływ energii i mechanizmy sprzężenia zwrotnego. Wyraźnie pokazuje to „reguła” komórkowa, w której procesy wewnętrzne samoregulują się, aby zachować stabilność, jak termostat. Standardowa termodynamika zaprojektowana dla systemów pasywnych nie jest w stanie łatwo dostosować się do tego aktywnego zachowania.
Aby to zbadać, naukowcy z Politechniki Drezdeńskiej w Niemczech przeprowadzili eksperymenty z ludzkimi komórkami HeLa, kontrowersyjną linią komórkową uzyskaną bez zgody Henrietty Lacks w latach pięćdziesiątych XX wieku. Powstrzymując komórki przed podziałem i badając ich błony za pomocą mikroskopii sił atomowych, przeanalizowali wahania zachowania komórek w różnych warunkach.
Ograniczenia istniejących modeli
Badanie wykazało, że tradycyjne pomiary termodynamiczne, takie jak „temperatura efektywna”, są niewystarczające w przypadku zastosowania do systemów żywych. Efektywna temperatura próbuje określić ilościowo brak równowagi w taki sam sposób, w jaki podgrzewanie miski z wodą zwiększa jej temperaturę. Jednak komórki zachowują się inaczej. Zamiast tego naukowcy odkryli, że „asymetria odwrócenia czasu” zapewnia dokładniejszą miarę braku równowagi w procesach biologicznych.
Asymetria odwrócenia czasu bada, jak inny byłby proces, gdyby był prowadzony w odwrotnym kierunku, a nie w przód. Procesy biologiczne regulujące przeżycie i reprodukcję wykazują nieodłączną asymetrię, która odróżnia je od odwracalnych reakcji fizycznych. Sugeruje to, że stopień, w jakim system przeciwstawia się symetrii czasu, bezpośrednio koreluje z jego „żywotnością”.
Implikacje i przyszłe badania
Te odkrycia dostarczają cennych narzędzi do ilościowego określania braku równowagi w układach żywych. Eksperci tacy jak Chase Brodesz z Vrije Universiteit Amsterdam podkreślają znaczenie dokładnego pomiaru odchyleń układu od równowagi. Yair Shokef z Uniwersytetu w Tel Awiwie zauważa, że to badanie jest nowatorskie, ponieważ umożliwia równoczesny pomiar wielu cech nierównowagi.
Ostatecznym celem jest opracowanie czwartej zasady termodynamiki, specyficznej dla materii żywej, w której procesy zachodzą wokół punktu równowagi. Naukowcy już pracują nad zidentyfikowaniem mierzalnych wskaźników fizjologicznych, które mogłyby posłużyć za podstawę tego nowego prawa.
Zrozumienie życia za pomocą zasad termodynamiki wymaga dalszych znaczących badań. Możliwość pomiaru i określenia ilościowego wyjątkowej nierównowagi systemów biologicznych jest krytycznym krokiem w kierunku pełniejszego zrozumienia podstawowej fizyki życia.
