Alle levende væsener skal overholde fysikkens love – herunder termodynamikkens anden lov, som siger, at universets uorden, eller entropi, kun kan vokse. Meget velordnede celler og organismer synes at være i modstrid med dette princip, men de er faktisk i overensstemmelse med det, fordi de genererer varme, der øger universets samlede entropi.
Så er der stadig spørgsmål tilbage: Hvad er den teoretiske tærskel for, hvor meget varme en levende celle skal generere for at opfylde sine termodynamiske begrænsninger? Og hvor tæt kommer cellerne på denne grænse?
I en nylig artikel i Journal of Chemical Physics har MIT-fysiker Jeremy England matematisk modelleret E. coli-bakteriernes replikation og fundet ud af, at processen er næsten så effektiv som muligt: E. coli producerer højst kun ca. seks gange mere varme, end de har brug for for at opfylde kravene i termodynamikkens anden lov.
“I betragtning af hvad bakterien er lavet af, og i betragtning af hvor hurtigt den vokser, hvad ville være den mindste mængde varme, som den skulle afgive til omgivelserne? Når man sammenligner det med den varmemængde, som den faktisk afgiver, er de nogenlunde på samme skala”, siger England, der er assisterende professor i fysik. “Det er relativt tæt på den maksimale effektivitet.”
Englands tilgang til modellering af biologiske systemer involverer statistisk mekanik, som beregner sandsynlighederne for forskellige arrangementer af atomer eller molekyler. Han fokuserede på den biologiske proces med celledeling, hvorved en celle bliver til to. I løbet af den 20 minutter lange replikationsproces indtager en bakterie en stor mængde føde, omarrangerer mange af sine molekyler – herunder DNA og proteiner – og deler sig derefter i to celler.
For at beregne den minimumsmængde varme, som en bakterie skal generere under denne proces, besluttede England at undersøge termodynamikken i den omvendte proces – dvs. at to celler bliver til én. Dette er så usandsynligt, at det sandsynligvis aldrig vil ske. Sandsynligheden for, at det sker, kan dog estimeres ved at sammenlægge sandsynlighederne for at vende alle de mindre reaktioner, der finder sted under replikationen, omvendt.
En af de almindelige reaktioner, der finder sted under replikationen, er dannelsen af nye peptidbindinger, som danner rygraden i proteiner. Spontant at vende den type reaktion ville tage omkring 600 år, siger England. Antallet af peptidbindinger i en typisk bakterie er ca. 1,6 milliarder, og den varmeeffekt, der er nødvendig for at bryde alle disse bindinger, er ca. 100 milliarder naturlige enheder.
“Jeg ville være nødt til at vente rigtig længe for at se alle disse bindinger falde fra hinanden,” siger England.
Ved at estimere den ventetid, der er nødvendig for at observere en spontan omvendelse af replikationen, beregnede England, at den minimale varmemængde, som en bakterie skal generere, når den deler sig, er lidt mere end en sjettedel af den mængde, som en E. coli-celle faktisk producerer under replikationen.
“Som fysiker, der forsøger at bidrage til studiet af liv, finder jeg hans succes yderst opmuntrende,” siger Carl Franck, der er lektor i fysik ved Cornell University. “Med elegance giver han kvantitativ indsigt i et centralt aspekt af levende stof: replikation. Han fokuserer på det, der er enkelt og interessant ved noget meget kompliceret.”
Fundet tyder på, at bakterier kunne vokse dramatisk hurtigere, end de gør nu, og stadig overholde termodynamikkens anden lov. England siger, at fordi cellereplikation kun er en af de mange opgaver, som E. coli skal udføre, er det usandsynligt, at de ville udvikle sig til deres mest effektive væksthastighed. Til anvendelser inden for syntetisk biologi kan det dog være nyttigt at skabe bakterier, der kan dele sig hurtigere, hvilket denne artikel viser, at det teoretisk set er muligt.
Papiret kan også give nogle beviser for, hvorfor DNA, og ikke RNA, udviklede sig som den vigtigste form for genetisk materiale, siger England: DNA er mere holdbart og bryder ikke spontant sine bindinger lige så let som RNA. Det betyder, at RNA kan have en fordel i forhold til DNA, fordi det kan vokse hurtigere og bruge de tilgængelige ressourcer. Dette understøtter en tidligere foreslået hypotese om, at RNA kan have udviklet sig først, før livet opstod på Jorden, og at DNA dukkede op senere.
“Jeg tror, det er en nyttig måde at forsøge at få lidt mere styr på de forskellige former for selektionskræfter, der kan have virket på nukleinsyrer,” siger England.
Han bruger nu den samme teoretiske tilgang til at modellere, hvordan selvreplikerende celler udvikler sig ved at finde ud af nye måder at tilpasse sig til miljømæssige udsving.