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?

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