Livets termodynamikk tar form

Å avsløre de vitenskapelige lovene som styrer vår verden blir ofte betraktet som den “hellige gral” av forskere, ettersom slike funn har vidtrekkende implikasjoner. I en spennende utvikling fra Japan har forskere vist hvordan man bruker geometriske representasjoner for å kode termodynamikkens lover, og anvender disse representasjonene for å oppnå generaliserte spådommer. Dette arbeidet kan i betydelig grad forbedre vår forståelse av de teoretiske grensene som gjelder innenfor kjemi og biologi.

Mens levende systemer er bundet av fysikkens lover, finner de ofte kreative måter å dra nytte av disse reglene på måter som ikke-levende fysiske systemer sjelden kan. For eksempel, hver levende organisme finner en måte å reprodusere seg selv på. På et grunnleggende nivå er dette avhengig av autokatalytiske sykluser der et bestemt molekyl kan stimulere produksjonen av identiske molekyler, eller et sett med molekyler produserer hverandre. Som en del av dette vokser rommet der molekylene finnes i volum. Men, vitenskapelig kunnskap mangler en fullstendig termodynamisk representasjon av slike selvreplikerende prosesser, som vil gjøre det mulig for forskere å forstå hvordan levende systemer kan dukke opp fra ikke-levende objekter.

Nå, i to relaterte artikler publisert i Physical Review Research, brukte forskere fra Institute of Industrial Science ved University of Tokyo en geometrisk teknikk for å karakterisere forholdene som samsvarer med veksten av et selvreproduserende system. Det styrende prinsippet er den berømte andre loven for termodynamikk, som krever at entropi – vanligvis forstått å bety uorden – bare kan øke. En økning i rekkefølgen kan imidlertid være mulig, slik som at en bakterie absorberer næringsstoffer for å gjøre den i stand til å dele seg i to bakterier, men på bekostning av økt entropi et annet sted. “Selvreplikering er et kjennetegn på levende systemer, og vår teori hjelper til med å forklare miljøforhold å bestemme skjebnen deres, enten de vokser, krymper eller balanserer, sier seniorforfatter Tetsuya J. Kobayashi.

Hovedinnsikten var å representere de termodynamiske relasjonene som hyperoverflater i et flerdimensjonalt rom. Deretter kan forskerne studere hva som skjer når ulike operasjoner utføres, i dette tilfellet ved å bruke Legendre-transformasjonen. Denne transformasjonen beskriver hvordan en overflate skal kartlegges til et annet geometrisk objekt med en betydelig termodynamisk betydning.

“Resultatene ble oppnådd utelukkende på grunnlag av termodynamikkens andre lov om at den totale entropien må øke. På grunn av dette var det ikke nødvendig med antakelser om en ideell gass eller andre forenklinger om typene av interaksjoner i systemet,” sier førsteforfatter. Yuki Sughiyama. Å kunne beregne hastigheten på entropiproduksjon kan være avgjørende for å evaluere biofysiske systemer. Denne forskningen kan bidra til å sette studiet av termodynamikken til levende systemer på et mer solid teoretisk grunnlag, noe som kan forbedre vår forståelse av biologisk reproduksjon.

Artiklene er publisert i Physical Review Research som “Hessisk geometrisk struktur av kjemiske termodynamiske systemer med støkiometriske begrensninger” og “Kjemisk termodynamikk for voksende systemer.”

---

---

Levert av Institute of Industrial Science, University of Tokyo (UTokyo-IIS)