Všechny živé organismy se musí řídit fyzikálními zákony – včetně druhého termodynamického zákona, který říká, že neuspořádanost neboli entropie ve vesmíru může pouze růst. Vysoce uspořádané buňky a organismy zdánlivě tomuto principu odporují, ale ve skutečnosti mu vyhovují, protože vytvářejí teplo, které zvyšuje celkovou entropii vesmíru.
Přesto zůstávají otázky: Jaká je teoretická hranice, kolik tepla musí živá buňka vyprodukovat, aby splnila svá termodynamická omezení? A jak moc se buňky této hranici blíží?
V nedávném článku v časopise Journal of Chemical Physics fyzik Jeremy England z MIT matematicky modeloval replikaci bakterií E. coli a zjistil, že tento proces je téměř maximálně efektivní: E. coli produkují nanejvýš jen asi šestkrát více tepla, než potřebují, aby splnily omezení druhého termodynamického zákona.
„Vzhledem k tomu, z čeho je bakterie složena, a vzhledem k tomu, jak rychle roste, jaké by bylo minimální množství tepla, které by musela vydat do svého okolí? Když to porovnáte s množstvím tepla, které skutečně vyčerpá, jsou zhruba na stejné škále,“ říká England, docent fyziky. „Je to relativně blízko maximální účinnosti.“
Englandův přístup k modelování biologických systémů zahrnuje statistickou mechaniku, která počítá pravděpodobnosti různých uspořádání atomů nebo molekul. Zaměřil se na biologický proces buněčného dělení, při němž se z jedné buňky stávají dvě. Během dvacetiminutového procesu replikace bakterie spotřebuje velké množství potravy, přeskupí mnoho svých molekul – včetně DNA a bílkovin – a pak se rozdělí na dvě buňky.
Aby vypočítal minimální množství tepla, které bakterie musí během tohoto procesu vyprodukovat, rozhodl se England prozkoumat termodynamiku opačného procesu – tedy toho, že se ze dvou buněk stane jedna. To je tak nepravděpodobné, že k tomu pravděpodobně nikdy nedojde. Pravděpodobnost, že k němu dojde, však lze odhadnout agregací pravděpodobností obrácení všech menších reakcí, které probíhají během replikace.
Jednou z běžných reakcí, k nimž dochází během replikace, je tvorba nových peptidových vazeb, které tvoří páteř proteinů. Spontánní zvrácení tohoto typu reakce by trvalo asi 600 let, říká England. Počet peptidových vazeb v typické bakterii je asi 1,6 miliardy a tepelný výkon potřebný k přerušení všech těchto vazeb je asi 100 miliard přírodních jednotek.
„Musel bych čekat opravdu dlouho, abych viděl, jak se všechny tyto vazby rozpadají,“ říká England.
Odhadnutím doby čekání potřebné k pozorování spontánního zvratu replikace England vypočítal, že minimální množství tepla, které musí bakterie při dělení vyprodukovat, je o něco více než jedna šestina množství, které buňka E. coli během replikace skutečně produkuje.
„Jako fyzik, který se snaží přispět ke studiu života, považuji jeho úspěch za nesmírně povzbudivý,“ říká Carl Franck, docent fyziky na Cornellově univerzitě. „S elegancí dodává kvantitativní vhled do klíčového aspektu živé hmoty: replikace. Je klíčem k tomu, co je na něčem velmi složitém jednoduché a zajímavé.“
Zjištění naznačuje, že bakterie by mohly růst dramaticky rychleji než nyní a přitom dodržovat druhý termodynamický zákon. England říká, že vzhledem k tomu, že replikace buněk je jen jedním z mnoha úkolů, které E. coli musí vykonávat, je nepravděpodobné, že by se vyvíjely k co nejefektivnější rychlosti růstu. Pro aplikace v syntetické biologii však může být užitečné vytvořit bakterie, které se mohou dělit rychleji, což tato práce ukazuje jako teoreticky možné.
Příspěvek může také nabídnout některé důkazy o tom, proč se jako hlavní forma genetického materiálu vyvinula DNA, a ne RNA, říká England: DNA je trvanlivější a nerozbíjí samovolně své vazby tak snadno jako RNA. To znamená, že RNA může mít oproti DNA výhodu, protože může rychleji růst a využívat dostupné zdroje. To podporuje dříve vyslovenou hypotézu, že RNA se mohla vyvinout jako první, ještě před vznikem života na Zemi, a DNA se objevila později.
„Myslím, že je to užitečný způsob, jak se pokusit trochu lépe pochopit různé druhy selekčních sil, které mohly působit na nukleové kyseliny,“ říká England.
Stejný teoretický přístup nyní používá k modelování toho, jak se vyvíjejí samoreplikující se buňky tím, že vypracovávají nové způsoby adaptace na výkyvy prostředí.
.