Fizyk wyprowadza prawa termodynamiki dla samego życia

Oto ciekawy eksperyment myślowy. Wyobraź sobie pudełko wypełnione różnymi atomami i cząsteczkami w proporcjach z grubsza odpowiadających składowi prebiotycznej zupy, w której kwitnie życie.

Jakie jest prawdopodobieństwo, że te molekuły ułożą się w pełnoprawną żywą istotę, na przykład w bakterię? To trudne pytanie, ale Jeremy England z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge wymyślił, jak obliczyć odpowiedź, przynajmniej teoretycznie. Jego wyniki stanowią fascynującą lekturę.

Częścią problemu jest to, że samo życie jest trudne do zdefiniowania. Ale Anglia ma na to sposób. Jego pomysł polega na zbadaniu każdej kombinacji stanów, które są możliwe w tym pudełku i skonsultowaniu się z wszechwiedzącym mikrobiologiem, czy każdy stan reprezentuje bakterię, czy nie. W ten sposób powinno być możliwe, przynajmniej w zasadzie, zorientowanie się, jaka jest fizyka statystyczna.

Następnie prosi mikrobiologa, aby ponownie spojrzał na pudełko po okresie, który w przybliżeniu odpowiada czasowi podziału bakterii.

Powstaje zatem pytanie, na ile prawdopodobne jest, że w pudełku będą dwie bakterie.

Po raz kolejny wszechwiedzący mikrobiolog mógł spojrzeć na każdy możliwy stan pudełka i stwierdzić, czy doszło do samoreplikacji. Jeśli pudełko zawiera dwie bakterie, można obliczyć, jaka entropia została wytworzona w procesie i ile ciepła zostało zużyte.

Anglia dorzuca kilka podstawowych praw termodynamiki iw ten sposób buduje statystyczny model fizyki samoreplikacji, model, który jest analogiczny do praw rządzących statystycznym zachowaniem dowolnego zestawu cząstek w pudełku.

Dla porównania przygląda się również statystykom rządzącym odwrotnym procesem – spontanicznym rozkładem bakterii na dwutlenek węgla, wodór i tak dalej.

To ustanawia ważną granicę tego, co jest termodynamicznie możliwe w tym systemie: w efekcie Anglia wyprowadza drugą zasadę termodynamiki dla systemu. Na tej podstawie wypracowuje różne „prawa”, takie jak minimalna ilość ciepła, jaką powinna wytworzyć pojedyncza runda podziału komórki.

Na koniec umieszcza w swoim modelu pewne liczby, w tym liczby, takie jak czas życia wiązań peptydowych w systemach biologicznych, aby dowiedzieć się, ile systemy złożone cieplnie, takie jak bakterie E. coli, powinny wytwarzać podczas replikacji.

Okazuje się, że bakterie E. coli są niezwykle wydajnymi replikatorami. Organizm potrafi tak wydajnie przekształcać energię chemiczną w nową kopię samego siebie, że gdyby wytworzył nawet o połowę mniej ciepła, przekroczyłby granice tego, co jest termodynamicznie możliwe! on mówi.

Wykonuje podobne obliczenia dla replikacji cząsteczek RNA i DNA. Sugeruje to, że pod względem termodynamiki replikacja jest znacznie łatwiejsza dla RNA niż DNA.

To interesujący wynik, biorąc pod uwagę, że wielu biologów zasugerowało, że pierwsze samoreplikujące się systemy w prebiotycznej zupie Ziemi musiały być oparte na RNA, a nie na DNA

W przeszłości biolodzy badali właściwości katalityczne RNA, które są kluczowe dla żywych komórek, i zauważyli, że DNA nie ma tych właściwości. Tak więc myślenie jest takie, że RNA musiało być pierwsze na linii czasu replikacji, a DNA ewoluowało później, gdy życie stało się bardziej złożone.

Praca Anglii potwierdza ten pomysł, ale z zupełnie innych powodów – RNA jest termodynamicznie lepsze w samoreplikacji. Fascynujący wynik.

Praca ma jednak istotne ograniczenie. Nie zajmuje się definicją natury życia i zamiast tego przenosi problem do wszechwiedzącego mikrobiologa, który, jak się zakłada, zawsze może udzielić odpowiedzi.

Istnieje kusząca wskazówka, że ​​podejście Anglii może pewnego dnia rozwiązać ten problem. Badając bardziej szczegółowo rolę fizyki statystycznej, być może uda się zdefiniować życie w kategoriach precyzyjnych granic termodynamicznych.

Dlatego warto przyjrzeć się, dokąd Anglia zabiera swój pomysł w następnej kolejności.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1209.1179 : Statystyczna fizyka samoreplikacji

ukryć