Livets termodynamik tager form

At afsløre de videnskabelige love, der styrer vores verden, bliver ofte betragtet som den "hellige gral" af videnskabsmænd, da sådanne opdagelser har vidtrækkende implikationer. I en spændende udvikling fra Japan har videnskabsmænd vist, hvordan man bruger geometriske repræsentationer til at kode termodynamikkens love og anvender disse repræsentationer til at opnå generaliserede forudsigelser. Dette arbejde kan markant forbedre vores forståelse af de teoretiske grænser, der gælder inden for kemi og biologi.

Mens levende systemer er bundet af fysikkens love, finder de ofte kreative måder at drage fordel af disse regler på på måder, som ikke-levende fysiske systemer sjældent kan. For eksempel finder enhver levende organisme en måde at reproducere sig selv på. På et grundlæggende niveau er dette afhængig af autokatalytiske cyklusser, hvor et bestemt molekyle kan anspore produktionen af ​​identiske molekyler, eller et sæt molekyler producerer hinanden. Som en del af dette vokser det rum, hvori molekylerne findes, i volumen. Imidlertid mangler videnskabelig viden en fuldstændig termodynamisk repræsentation af sådanne selvreplikerende processer, som ville gøre det muligt for forskere at forstå, hvordan levende systemer kan opstå fra ikke-levende objekter.

Nu i to relaterede artikler offentliggjort i Physical Review Research , brugte forskere fra Institute of Industrial Science ved University of Tokyo en geometrisk teknik til at karakterisere de forhold, der svarer til væksten af ​​et selvreproducerende system. Det ledende princip er termodynamikkens berømte anden lov, som kræver, at entropi - generelt forstået som uorden - kun kan øges. Det kan dog være muligt at øge rækkefølgen, såsom at en bakterie absorberer næringsstoffer for at sætte den i stand til at dele sig i to bakterier, men på bekostning af øget entropi et andet sted. "Selvreplikation er et kendetegn for levende systemer, og vores teori hjælper med at forklare miljøforholdene for at bestemme deres skæbne, uanset om de vokser, krymper eller ækvilibrerer," siger seniorforfatter Tetsuya J. Kobayashi.

Hovedindsigten var at repræsentere de termodynamiske relationer som hyperoverflader i et multidimensionelt rum. Derefter kunne forskerne studere, hvad der sker, når forskellige operationer udføres, i dette tilfælde ved hjælp af Legendre-transformationen. Denne transformation beskriver, hvordan en overflade skal kortlægges i et andet geometrisk objekt med en betydelig termodynamisk betydning.

"Resultaterne blev udelukkende opnået på basis af termodynamikkens anden lov om, at den samlede entropi skal stige. På grund af dette var antagelser om en ideel gas eller andre forenklinger om typerne af vekselvirkninger i systemet ikke nødvendige," siger førsteforfatter. Yuki Sughiyama. At være i stand til at beregne hastigheden af ​​entropiproduktion kan være afgørende for evaluering af biofysiske systemer. Denne forskning kan hjælpe med at sætte studiet af levende systemers termodynamik på et mere solidt teoretisk grundlag, hvilket kan forbedre vores forståelse af biologisk reproduktion.

Artiklerne er publiceret i Physical Review Research som "Hessisk geometrisk struktur af kemiske termodynamiske systemer med støkiometriske begrænsninger" og "Kemisk termodynamik for voksende systemer." + Udforsk yderligere

Aldring, entropi og affald:Udskylning af beskadigede celler