Існуючих законів термодинаміки може виявитися недостатньо для повного пояснення поведінки живих організмів, а недавні експерименти з клітинами людини вказують на необхідність четвертого закону, адаптованого до біологічних систем. Встановлені принципи фізики, особливо ті, що керують теплом і ентропією, надійні для ідеалізованих неживих систем. Однак притаманна складність життя — його взаємопов’язані клітини та активне споживання енергії — вводить фактори, які важко вловити існуючим законам.
Унікальна нерівновага життя
Живі системи фундаментально перебувають у стані нерівноваги. На відміну від косної матерії, клітини підтримують динамічний стан завдяки постійному потоку енергії та механізмам зворотного зв’язку. Це чітко демонструє клітинне «правило», згідно з яким внутрішні процеси саморегулюються для підтримки стабільності, як термостат. Стандартна термодинаміка, розроблена для пасивних систем, нелегко адаптує цю активну поведінку.
Щоб дослідити це, дослідники з Технічного університету Дрездена в Німеччині провели експерименти з людськими клітинами HeLa, суперечливою лінією клітин, отриманою без згоди Генрієтти Лекс у 1950-х роках. Зупиняючи поділ клітин і досліджуючи їхні мембрани за допомогою атомно-силової мікроскопії, вони проаналізували коливання поведінки клітин за різних умов.
Обмеження існуючих моделей
Дослідження показало, що традиційні термодинамічні вимірювання, такі як «ефективна температура», недостатні при застосуванні до живих систем. Ефективна температура намагається кількісно визначити нерівновагу так само, як нагрівання каструлі з водою підвищує її температуру. Однак клітини поводяться інакше. Натомість дослідники виявили, що “асиметрія зворотного часу” забезпечує точнішу міру порушення рівноваги в біологічних процесах.
Асиметрія реверсування часу перевіряє, наскільки відрізнявся б процес, якби він запускався у зворотному напрямку, а не вперед. Біологічні процеси, що керують виживанням і розмноженням, демонструють притаманну асиметрію, яка відрізняє їх від оборотних фізичних реакцій. Це свідчить про те, що ступінь порушення часової симетрії системи прямо корелює з її «життєвістю».
Наслідки та майбутні дослідження
Ці висновки надають цінні інструменти для кількісного визначення порушення рівноваги в живих системах. Такі експерти, як Чейз Бродес з Vrije Universiteit Amsterdam, підкреслюють важливість точного вимірювання того, наскільки система відхиляється від рівноваги. Яір Шокеф з Тель-Авівського університету зазначає, що це дослідження є новим у своїй здатності одночасно вимірювати кілька характеристик нерівноваги.
Кінцевою метою є розробка четвертого закону термодинаміки, специфічного для живої матерії, де процеси відбуваються навколо точки рівноваги. Дослідники вже працюють над визначенням вимірюваних фізіологічних показників, які могли б стати основою для цього нового закону.
Розуміння життя за допомогою принципів термодинаміки вимагає значних подальших досліджень. Здатність вимірювати та кількісно оцінювати унікальну нерівновагу біологічних систем є критично важливим кроком до більш повного розуміння фундаментальної фізики життя.
