Существующие законы термодинамики могут быть недостаточными для полного объяснения поведения живых организмов, и недавние эксперименты с клетками человека указывают на необходимость четвертого закона, адаптированного к биологическим системам. Установленные принципы физики, особенно те, которые регулируют тепло и энтропию, надежны для идеализированных, неживых систем. Однако присущая жизни сложность — ее взаимосвязанные клетки и активное потребление энергии — вносит факторы, которые существующим законам трудно уловить.
Уникальное Неравновесие Жизни
Живые системы принципиально находятся в состоянии неравновесия. В отличие от инертной материи, клетки поддерживают динамическое состояние благодаря постоянному притоку энергии и механизмам обратной связи. Это наглядно демонстрируется клеточным «уставом», при котором внутренние процессы саморегулируются для поддержания стабильности, подобно термостату. Стандартная термодинамика, предназначенная для пассивных систем, не так легко приспосабливается к такому активному поведению.
Чтобы это исследовать, исследователи из Дрезденского технического университета в Германии провели эксперименты с клетками HeLa человека — спорной клеточной линией, полученной без согласия Генриетты Лакс в 1950-х годах. Остановив деление клеток и зондируя их мембраны с помощью атомно-силовой микроскопии, они проанализировали колебания клеточного поведения в различных условиях.
Пределы Существующих Моделей
Исследование показало, что традиционные термодинамические измерения, такие как «эффективная температура», оказываются недостаточными при применении к живым системам. Эффективная температура пытается количественно оценить неравновесие так же, как нагревание кастрюли с водой повышает ее температуру. Однако клетки ведут себя иначе. Вместо этого исследователи обнаружили, что «асимметрия обращения времени» обеспечивает более точную меру неравновесия в биологических процессах.
Асимметрия обращения времени исследует, насколько бы отличался процесс, если бы он был запущен в обратном направлении вместо прямого. Биологические процессы, обусловленные выживанием и размножением, по своей природе демонстрируют асимметрию, отличающую их от обратимых физических реакций. Это говорит о том, что степень, в которой система бросает вызов симметрии времени, напрямую коррелирует с ее «жизнеспособностью».
Последствия и Будущие Исследования
Эти выводы предоставляют ценные инструменты для количественной оценки неравновесия в живых системах. Эксперты, такие как Чейз Бродесц из Vrije Universiteit Amsterdam, подчеркивают важность точного измерения того, насколько система отклоняется от равновесия. Яир Шокеф из Тель-Авивского университета отмечает, что это исследование ново в своей способности одновременно измерять несколько характеристик неравновесия.
Конечная цель — разработать четвертый закон термодинамики, специфичный для живой материи, где процессы происходят вокруг точки равновесия. Исследователи уже работают над выявлением измеримых физиологических показателей, которые могли бы послужить основой для этого нового закона.
Понимание жизни с помощью термодинамических принципов требует значительных дальнейших исследований. Способность измерять и количественно оценивать уникальное неравновесие биологических систем является решающим шагом к более полному пониманию фундаментальной физики жизни.
