Нам может понадобиться четвертый закон термодинамики для живых систем

Физика термодинамики, которая включает в себя такие величины, как тепло и энтропияпредлагает хорошо зарекомендовавшие себя инструменты для определения того, насколько далека от равновесия идеализированная система частиц. Но когда дело доходит до жизни с ее сложными взаимосвязанными клетками, неясно, достаточно ли нашего нынешнего набора термодинамических законов – и серия экспериментов с участием человеческих клеток может стать первым шагом на пути к созданию нового.

Термодинамика важна для жизни, потому что выход из равновесия одно из его ключевых свойств. Но поскольку клетки наполнены молекулами, которые активно потребляют энергию, состояние клетки отличается от, скажем, кучки шариков, плавающих в жидкости. Например, биологические клетки имеют так называемую заданную точку, что означает, что они ведут себя так, как будто следуют внутреннему термостату. Существует механизм обратной связи, который возвращает их к заданному значению, что позволяет им продолжать функционировать. Именно такое поведение нелегко уловить классической термодинамикой.

Н Нариндер и Элизабет Фишер-Фридрих в Дрезденском технологическом университете в Германии хотели получить детальное понимание того, чем неравновесие в живых системах отличается от состояния неравновесия в неживой системе. Они сделали это с человеческими клетками HeLa — линией раковых клеток, обычно используемой в научных исследованиях, которые были взяты без согласия у афроамериканки по имени Генриетта Лакс в 1950-е годы.

Сначала исследователи использовали химические вещества, чтобы остановить деление клеток на полпути, а затем исследовали их внешние мембраны кончиком иглы. атомно-силовой микроскопкоторый может точно взаимодействовать с объектами шириной всего в доли нанометра. Это облегчило оценку того, как колебалась мембрана каждой клетки (как сильно покачивался кончик микроскопа) и как эти колебания менялись, когда исследователи вмешивались в некоторые клеточные процессы, например, прерывая морфинг некоторых молекул или движение определенных белков.

Они обнаружили, что для этих колебаний один стандартный термодинамический «рецепт», объясняющий поведение неживой системы, больше не является полностью точным. В частности, идея «эффективной температуры» оказалась неточной. Эта идея призвана уловить нечто похожее на наше понимание того, как температура увеличивается, когда мы выводим из равновесия систему, подобную горшку с водой, нагревая ее.

Но исследователи пришли к выводу, что более полезной величиной для определения степени неравновесия жизни является свойство, называемое «асимметрией обращения времени». Это исследует, в какой степени данный биологический процесс (например, молекулы, неоднократно соединяющиеся в более крупные молекулы, прежде чем снова разделиться) будет отличаться. если бы он бежал назад, а не вперед вовремя. Наличие асимметрии обращения времени может быть напрямую связано с тем фактом, что биологические процессы служат таким целям, как выживание и распространение, говорит Фишер-Фридрих.

«Мы знаем в биологии, что существует множество процессов, которые действительно зависят от того, что система находится в состоянии равновесия, но на самом деле важно знать, насколько далеко система вышла из равновесия», — говорит Чейз Бродерс в Vrije Universiteit Amsterdam в Нидерландах. По его словам, новое исследование идентифицирует новые ценные инструменты для установления этого факта.

Это важный шаг на пути к улучшению нашего понимания активных биологических систем, говорит Яир Шокеф в Тель-Авивском университете в Израиле. Он говорит, что тот факт, что команда смогла экспериментально измерить не только асимметрию обращения времени, но и несколько других показателей неравновесности одновременно, является одновременно новым и полезным.

Однако нам, возможно, придется сделать гораздо больше шагов, если мы хотим понять жизнь с помощью термодинамических принципов. Фишер-Фридрих говорит, что в конечном итоге команда хочет вывести что-то вроде четвертого закона термодинамики, который применим только к живой материи, где процессы имеют заданную точку. Они уже работают над выявлением физиологических наблюдаемых величин – конкретных вещей, которые можно измерить в клетках – где можно было бы начать вывод такого закона.