As atuais leis da termodinâmica podem ser insuficientes para explicar completamente o comportamento dos organismos vivos, e experiências recentes com células humanas sugerem a necessidade de uma quarta lei adaptada aos sistemas biológicos. Os princípios estabelecidos da física, particularmente aqueles que regem o calor e a entropia, são robustos para sistemas idealizados e não vivos. Contudo, a complexidade inerente à vida – as suas células interligadas e o consumo activo de energia – introduz factores que as leis existentes lutam para capturar.
O desequilíbrio único da vida
Os sistemas vivos estão fundamentalmente fora de equilíbrio. Ao contrário da matéria inerte, as células mantêm um estado dinâmico através de entrada constante de energia e mecanismos de feedback. Isto é exemplificado por um “ponto de ajuste” celular, onde os processos internos se autorregulam para manter a estabilidade, como um termostato. A termodinâmica padrão, projetada para sistemas passivos, não acomoda facilmente esse comportamento ativo.
Para investigar isto, investigadores da Universidade de Tecnologia de Dresden, na Alemanha, conduziram experiências utilizando células humanas HeLa – uma linha celular controversa derivada sem consentimento de Henrietta Lacks na década de 1950. Ao interromper a divisão celular e sondar suas membranas com microscopia de força atômica, eles analisaram as flutuações no comportamento celular sob diversas condições.
Os limites dos modelos existentes
O estudo revelou que as medidas termodinâmicas convencionais, como a “temperatura efetiva”, ficam aquém quando aplicadas a sistemas vivos. A temperatura efetiva tenta quantificar o desequilíbrio de forma semelhante à forma como o aquecimento de uma panela com água aumenta sua temperatura. No entanto, as células não se comportam da mesma maneira. Em vez disso, os pesquisadores descobriram que a “assimetria de reversão do tempo” oferece uma medida mais precisa do desequilíbrio nos processos biológicos.
A assimetria de reversão de tempo explora quão diferente seria um processo se fosse executado para trás em vez de para frente. Os processos biológicos, impulsionados pela sobrevivência e replicação, exibem inerentemente assimetria, distinguindo-os das reações físicas reversíveis. Isto sugere que o grau em que um sistema desafia a simetria do tempo está diretamente correlacionado com a sua “vivacidade”.
Implicações e pesquisas futuras
As descobertas fornecem ferramentas valiosas para quantificar o desequilíbrio em sistemas vivos. Especialistas como Chase Broedersz, da Vrije Universiteit Amsterdam, enfatizam a importância de medir com precisão até que ponto um sistema se desvia do equilíbrio. Yair Shokef, da Universidade de Tel Aviv, observa que este estudo é novo em sua capacidade de medir múltiplas características de desequilíbrio simultaneamente.
O objetivo final é desenvolver uma quarta lei da termodinâmica específica para a matéria viva, onde os processos operam em torno de um ponto definido. Os investigadores já estão a trabalhar para identificar indicadores fisiológicos mensuráveis que possam servir de base para esta nova lei.
Compreender a vida através dos princípios termodinâmicos requer pesquisas adicionais significativas. A capacidade de medir e quantificar o desequilíbrio único dos sistemas biológicos é um passo crucial para uma compreensão mais completa da física fundamental da vida.
