Архив рубрики ~Лента новостей~

Нам может понадобиться четвертый закон термодинамики для живых систем

Нам может понадобиться четвертый закон термодинамики для живых систем

Законы термодинамики неточно описывают сложные процессы в живых клетках. Нужен ли нам новый закон, чтобы точно измерить причины выхода живых систем из состояния равновесия?

NOVOSTI

Термодинамика, включающая такие величины, как тепло и энтропия, предлагает хорошо зарекомендовавшие себя инструменты для определения того, насколько далека от равновесия идеализированная система частиц. Но когда речь заходит о жизни, с её сложными взаимосвязанными клетками, неясно, достаточно ли нашего нынешнего набора термодинамических законов, и серия экспериментов с участием человеческих клеток может стать первым шагом к созданию нового набора.

Термодинамика важна для жизни, поскольку отсутствие равновесия — одно из её ключевых свойств. Но поскольку клетки заполнены молекулами, активно потребляющими энергию, состояние клетки отличается, скажем, от состояния группы шариков, плавающих в жидкости. Например, у биологических клеток есть так называемая уставка, то есть они ведут себя так, словно следуют внутреннему термостату. Существует механизм обратной связи, который возвращает их к уставке, что позволяет им продолжать функционировать. Именно такое поведение нелегко описать в рамках классической термодинамики.

Н. Нариндер и Элизабет Фишер-Фридрих из Дрезденского технического университета (Германия) хотели детально разобраться, чем нарушение равновесия в живых системах отличается от состояния нарушения равновесия в неживой системе. Они исследовали человеческие клетки HeLa – линию раковых клеток, широко используемых в научных исследованиях, история которых была непростой: в 1950-х годах они были взяты без согласия у афроамериканки Генриетты Лакс.

Сначала исследователи остановили клетки на полпути деления с помощью химических веществ, а затем исследовали их внешние мембраны с помощью наконечника атомно-силового микроскопа, способного точно взаимодействовать с объектами шириной всего лишь доли нанометра. Это позволило легче оценить колебания мембраны каждой клетки (то есть насколько колебался наконечник микроскопа), а также то, 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 флуктуаций стандартный термодинамический «рецепт», объясняющий поведение неживой системы, больше не является полностью точным. В частности, понятие «эффективной температуры» оказалось неточным. Эта идея призвана отразить нечто похожее на наше понимание того, как повышается температура, когда мы выводим систему, например, кастрюлю с водой, из состояния равновесия, нагревая её.

Однако исследователи пришли к выводу, что более полезной величиной для оценки степени неравновесности жизни является свойство, называемое «асимметрией обращения времени». Оно исследует, насколько данный биологический процесс — например, многократное соединение молекул в более крупные молекулы перед тем, как снова разделиться, — отличался бы, если бы он протекал в обратном, а не прямом направлении во времени. Наличие асимметрии обращения времени может быть напрямую связано с тем, что биологические процессы служат таким целям, как выживание и размножение, считает Фишер-Фридрих.

«В биологии мы знаем, что многие процессы зависят от нарушения равновесия системы, но на самом деле важно знать, насколько сильно система находится в состоянии неравновесия», — говорит Чейз Брёдерс из Амстердамского свободного университета (Нидерланды). Новое исследование, по его словам, предлагает ценные инструменты для определения этого состояния.

Это важный шаг к углублению нашего понимания активных биологических систем, говорит Яир Шокеф из Тель-Авивского университета в Израиле. Он отмечает, что тот факт, что группа смогла экспериментально измерить не только асимметрию обращения времени, но и сразу несколько других показателей неравновесия, является одновременно новым и полезным.

Однако нам, возможно, потребуется предпринять гораздо больше шагов, чтобы понять жизнь через термодинамические принципы. Фишер-Фридрих говорит, что в конечном итоге команда хочет вывести нечто вроде четвёртого закона термодинамики, применимого только к живой материи, где процессы имеют заданную точку, или одно значение, к которому они должны вернуться для продолжения функционирования. Они уже работают над выявлением физиологических наблюдаемых параметров – конкретных параметров, которые можно измерить в клетках, – с которых можно было бы начать вывод такого закона.

Physical Review X DOI: 10.1103/5zyn-kgs3

Источник: www.newscientist.com

Оцените материал:

Поделиться
Понравилась статья? Расскажите другим
ВКонтакте
Читайте также
Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Anthropic обновила бесплатный курс по Claude Code Теперь в нём 9… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Делаем из старого Android нормальную вебку — вышла тулза, которая стримит… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Apple официально представила Upgrade – новую программу лизинга своих устройств… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ В ИТМО собрали мультиагентную платформу для медицинских документов В ИТМО… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Vals-Smith позволит тестировать ИИ-модели на вашей кодовой базе Бенчмарк-платформа Vals… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Midjourney выкатила V8.2 и сразу сделала её основной моделью Midjourney… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Дайджест дня Новости робототехники Компания Agency Tool хочет снизить OTA-обновление программного обеспечения Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Люди придумали текст, который не видит ИИ. Ghost Font прячет буквы… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Международную олимпиаду по ИИ впервые проведут на российской платформе —… Новости робототехники Lyft и Baidu выходят на лондонский рынок роботакси, начав тестирование новых моделей. Архив рубрики ~Обо всем~ [Перевод] Организмы, для которых самые суровые места Земли стали домом Архив рубрики ~Полезное~ Perplexity выпустили SPACE — и это революция в AI-агентах Perplexity… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Плавучие дата-центры могут запитать ИИ энергией волн Из-за бурного роста… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Anthropic обновила бесплатный курс по Claude Code Теперь в нём 9… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Делаем из старого Android нормальную вебку — вышла тулза, которая стримит… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Apple официально представила Upgrade – новую программу лизинга своих устройств… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ В ИТМО собрали мультиагентную платформу для медицинских документов В ИТМО… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Vals-Smith позволит тестировать ИИ-модели на вашей кодовой базе Бенчмарк-платформа Vals… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Midjourney выкатила V8.2 и сразу сделала её основной моделью Midjourney… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Дайджест дня Новости робототехники Компания Agency Tool хочет снизить OTA-обновление программного обеспечения Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Люди придумали текст, который не видит ИИ. Ghost Font прячет буквы… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Международную олимпиаду по ИИ впервые проведут на российской платформе —… Новости робототехники Lyft и Baidu выходят на лондонский рынок роботакси, начав тестирование новых моделей. Архив рубрики ~Обо всем~ [Перевод] Организмы, для которых самые суровые места Земли стали домом Архив рубрики ~Полезное~ Perplexity выпустили SPACE — и это революция в AI-агентах Perplexity… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Плавучие дата-центры могут запитать ИИ энергией волн Из-за бурного роста…