Fyzika termodynamiky a její spojení se životem
Termodynamika, která se zabývá veličinami jako je teplo a entropy, nabízí dobře zavedené nástroje pro určení, jak daleko od rovnováhy je idealizovaný systém částic. Když však přijde na život, jehož buňky jsou složeny z komplexně provázaných prvků, není jasné, zda naše současné termodynamické zákony jsou dostatečné. Soubor experimentů zahrnujících lidské buňky by mohl být prvním krokem k vytvoření nového pochopení.
Termodynamika je pro život důležitá, protože být mimo rovnováhu je jednou z jeho klíčových vlastností. Buňky totiž obsahují molekuly, které aktivně spotřebovávají energii, což způsobuje, že stav buňky se liší od například koule plovoucí v tekutině. Biologické buňky mají co se nazývá nastavením (setpointem), což znamená, že se chovají tak, jako by sledovaly interní termostat. Existuje zpětná vazba, která je vrací zpět k tomuto nastavení, což jim umožňuje pokračovat ve funkci. Tento typ chování nemusí být snadno zachytitelný tradičním pojetím termodynamiky.
Podle vědců Narindera a Elisabeth Fischer-Friedrichové z Technické univerzity v Drážďanech chtěli získat podrobný vhled do toho, jak se nerovnováha v živých systémech liší od stavu nerovnováhy v neživém systému. K tomu použili buňky HeLa – řadu rakovinných buněk, které se běžně používají ve vědeckém výzkumu a které byly získány bez souhlasu afroamerické ženy Henrietty Lacksové v 50. letech 20. století.
Nejprve vědci použili chemikálie k zastavení buněk v polovině dělení, poté prozkoumali jejich vnější membrány za pomocí atomového silového mikroskopu, který může přesně interagovat s objekty o velikosti jen zlomek nanometru. To usnadnilo hodnocení způsobů, jakými se membrána každé buňky kolísá – jak moc se špička mikroskopu kýve – a jak se tyto kolísání mění, když vědci zasahovali do některých procesů buňky, například když narušili transformaci některých molekul nebo pohyb určitých proteinů.
Zjistili, že pro tato kolísání jeden standardní termodynamický „recept“ k vysvětlení chování neživého systému již nebyl zcela přesný. Konkrétně myšlenka „efektivní teploty“ se ukázala jako nepřesná. Tato myšlenka má za cíl zachytit něco podobného našemu chápání, jak se teplota zvyšuje, když vezmeme systém, jako je hrnec s vodou, mimo rovnováhu jeho zahřátím.
Výzkumníci dospěli k závěru, že užitečnější veličinou pro zachycení stupně nerovnováhy života je vlastnost nazývaná „asymetrie inverze času“. Tato vlastnost zkoumá, do jaké míry by se daný biologický proces – například molekuly, které se opakovaně spojují do větších molekul před tím, než se znovu rozpadnou – měl lišit, kdyby probíhal zpět místo vpřed v čase. Přítomnost asymetrie inverze času by mohla být přímo spojena s tím, že biologické procesy slouží účelu, jako je přežití a rozmnožování, říká Fischer-Friedrichová.
„V biologii víme, že existuje mnoho procesů, které skutečně závisí na tom, aby systém byl mimo rovnováhu, ale je skutečně důležité vědět, jak daleko je systém mimo rovnováhu,“ říká Chase Broedersz z Vrije Universiteit v Amsterdamu. Nová studie identifikuje cenné nové nástroje pro určení této vzdálenosti, dodává.
Toto je důležitý krok k vylepšení našeho porozumění aktivním biologickým systémům, říká Yair Shokef z Telavivské univerzity v Izraeli. Zmiňuje, že fakt, že tým mohl experimentálně měřit nejen asymetrii inverze času, ale také několik dalších měření nerovnováhy současně, je novátorské a užitečné.
Přesto budeme možná potřebovat učinit ještě mnoho dalších kroků, pokud chceme porozumět životu skrze termodynamické principy. Fischer-Friedrichová říká, že v konečném důsledku tým chce odvodit něco, co by se dalo považovat za čtvrtý zákon termodynamiky, který by platil pouze pro živou hmotu, kde procesy mají nastavený bod. Již pracují na identifikaci fyziologických pozorovatelných veličin, které by mohly sloužit jako základ pro odvození takového zákona.
