Kaikkien elävien olentojen on noudatettava fysiikan lakeja – myös termodynamiikan toista lakia, jonka mukaan maailmankaikkeuden epäjärjestys eli entropia voi vain kasvaa. Erittäin järjestäytyneet solut ja organismit näyttävät olevan ristiriidassa tämän periaatteen kanssa, mutta ne itse asiassa noudattavat sitä, koska ne tuottavat lämpöä, joka lisää maailmankaikkeuden yleistä entropiaa.
Kysymyksiä on silti jäljellä: Mikä on teoreettinen kynnys sille, kuinka paljon lämpöä elävän solun on tuotettava täyttääkseen termodynaamiset rajoituksensa? Ja kuinka tarkasti solut lähestyvät tätä rajaa?
Journal of Chemical Physics -lehdessä hiljattain julkaistussa artikkelissa MIT:n fyysikko Jeremy England mallintaa matemaattisesti E. coli -bakteerien monistumista ja havaitsee, että prosessi on lähes niin tehokas kuin mahdollista: E. coli tuottaa korkeintaan noin kuusi kertaa enemmän lämpöä kuin se tarvitsee täyttääkseen termodynamiikan toisen lain rajoitukset.
”Kun otetaan huomioon, mistä bakteeri on tehty, ja kun otetaan huomioon, kuinka nopeasti se kasvaa, mikä olisi pienin mahdollinen lämpömäärä, jonka sen täytyisi päästää ympäristöönsä? Kun sitä verrataan siihen lämpömäärään, jonka se todellisuudessa tuottaa, ne ovat suunnilleen samassa mittakaavassa”, fysiikan apulaisprofessori England sanoo. ”Se on suhteellisen lähellä maksimihyötysuhdetta.”
Englandin lähestymistapa biologisten järjestelmien mallintamiseen perustuu tilastolliseen mekaniikkaan, jossa lasketaan atomien tai molekyylien erilaisten järjestelyjen todennäköisyyksiä. Hän keskittyi biologiseen solunjakautumisprosessiin, jonka kautta yhdestä solusta tulee kaksi. Kaksikymmenminuuttisen monistumisprosessin aikana bakteeri kuluttaa paljon ravintoa, järjestää monia molekyylejään – muun muassa DNA:ta ja proteiineja – uudelleen ja jakautuu sitten kahdeksi soluksi.
Lasketakseen pienimmän lämpömäärän, jonka bakteerin on tuotettava tämän prosessin aikana, England päätti tutkia käänteisen prosessin termodynamiikkaa – eli sitä, että kahdesta solusta tulee yksi. Tämä on niin epätodennäköistä, että sitä ei todennäköisesti koskaan tapahdu. Sen todennäköisyyttä voidaan kuitenkin arvioida laskemalla yhteen kaikkien replikaation aikana tapahtuvien pienempien reaktioiden kääntämisen todennäköisyydet.
Yksi yleisimmistä replikaation aikana tapahtuvista reaktioista on uusien peptidisidosten muodostuminen, jotka muodostavat proteiinien selkärangan. Tällaisen reaktion spontaani kumoaminen veisi noin 600 vuotta, England sanoo. Tyypillisessä bakteerissa on noin 1,6 miljardia peptidisidosta, ja kaikkien näiden sidosten katkaisemiseen tarvittava lämpöteho on noin 100 miljardia luonnonyksikköä.
”Minun täytyisi odottaa todella kauan nähdäkseni kaikkien noiden sidosten hajoavan”, England sanoo.
Arvioimalla odotusajan, joka tarvitaan replikaation spontaanin kääntymisen havaitsemiseen, England laski, että minimi lämpömäärä, jonka bakteerin on tuotettava jakautuessaan, on hieman yli kuudesosa siitä määrästä, jonka E. coli -solu todella tuottaa replikaation aikana.
”Fyysikkona, joka yrittää osallistua elämän tutkimukseen, pidän hänen onnistumistaan erittäin rohkaisevana”, sanoo Carl Franck, Cornellin yliopiston fysiikan apulaisprofessori. ”Hän tarjoaa tyylikkäästi kvantitatiivisen näkemyksen elävän aineen keskeisestä osa-alueesta: replikaatiosta. Hän keskittyy siihen, mikä on yksinkertaista ja mielenkiintoista jossakin hyvin monimutkaisessa asiassa.”
Havainto viittaa siihen, että bakteerit voisivat kasvaa huomattavasti nykyistä nopeammin ja silti noudattaa termodynamiikan toista lakia. England sanoo, että koska solujen replikaatio on vain yksi niistä monista tehtävistä, joita E. coli -bakteerien on suoritettava, on epätodennäköistä, että ne kehittyisivät mahdollisimman tehokkaaseen kasvunopeuteen. Synteettisen biologian sovelluksissa voi kuitenkin olla hyödyllistä luoda bakteereja, jotka pystyvät jakautumaan nopeammin, mikä on tämän artikkelin mukaan teoreettisesti mahdollista.
Paperi saattaa myös tarjota todisteita siitä, miksi DNA, eikä RNA, kehittyi geneettisen materiaalin pääasialliseksi muodoksi, England sanoo: DNA on kestävämpi eikä se katkaise sidoksiaan spontaanisti yhtä helposti kuin RNA. Tämä tarkoittaa, että RNA:lla voi olla etulyöntiasema DNA:han nähden, koska se voi kasvaa nopeammin ja kuluttaa käytettävissä olevia resursseja. Tämä tukee aiemmin esitettyä hypoteesia, jonka mukaan RNA on saattanut kehittyä ensin, ennen kuin elämä syntyi maapallolle, ja DNA ilmaantui myöhemmin.
”Uskon, että se on hyödyllinen tapa yrittää saada hieman enemmän käsitystä erilaisista valintavoimista, jotka ovat saattaneet vaikuttaa nukleiinihappoihin”, England sanoo.
Hän käyttää nyt samaa teoreettista lähestymistapaa mallintaakseen, miten itseään monistavat solut kehittyvät keksimällä uusia tapoja sopeutua ympäristön vaihteluihin.
Hyväksyttävää.