Minden élőlénynek engedelmeskednie kell a fizika törvényeinek – beleértve a termodinamika második törvényét, amely kimondja, hogy a világegyetem rendezetlensége, vagyis az entrópia csak növekedhet. A nagymértékben rendezett sejtek és organizmusok látszólag ellentmondanak ennek az elvnek, de valójában megfelelnek, mert hőt termelnek, ami növeli a világegyetem általános entrópiáját.
Mégis maradnak kérdések: Mi az az elméleti küszöbérték, hogy mennyi hőt kell termelnie egy élő sejtnek ahhoz, hogy teljesítse termodinamikai korlátait? És mennyire közelítik meg a sejtek ezt a határt?
A Journal of Chemical Physics folyóiratban nemrég megjelent tanulmányában Jeremy England, az MIT fizikusa matematikailag modellezte az E. coli baktériumok szaporodását, és megállapította, hogy a folyamat majdnem a lehető leghatékonyabb: Az E. coli legfeljebb csak körülbelül hatszor annyi hőt termel, mint amennyire a termodinamika második törvénye alapján szükség van.
“Tekintettel arra, hogy miből áll a baktérium, és hogy milyen gyorsan növekszik, mennyi lenne az a minimális hőmennyiség, amit a környezetébe kellene leadnia? Ha ezt összehasonlítjuk azzal a hőmennyiséggel, amit ténylegesen elszív, akkor nagyjából ugyanabban a skálán mozognak” – mondja England, a fizika adjunktusa. “Ez viszonylag közel van a maximális hatékonysághoz.”
England megközelítése a biológiai rendszerek modellezéséhez a statisztikai mechanikát használja, amely kiszámítja az atomok vagy molekulák különböző elrendezéseinek valószínűségét. Ő a sejtosztódás biológiai folyamatára összpontosított, amelynek révén egy sejtből kettő lesz. A 20 perces szaporodási folyamat során egy baktérium nagy mennyiségű táplálékot fogyaszt el, számos molekuláját – köztük a DNS-t és a fehérjéket – átrendezi, majd két sejtre osztódik.
Azért, hogy kiszámítsa, mennyi hőt kell legalább termelnie egy baktériumnak e folyamat során, England úgy döntött, hogy megvizsgálja a fordított folyamat termodinamikáját – vagyis azt, hogy két sejtből egy lesz. Ez annyira valószínűtlen, hogy valószínűleg soha nem fog megtörténni. Ennek valószínűsége azonban megbecsülhető a replikáció során lezajló összes kisebb reakció megfordításának valószínűségeinek összesítésével.
A replikáció során lejátszódó egyik gyakori reakció az új peptidkötések kialakulása, amelyek a fehérjék gerincét alkotják. Az ilyen típusú reakciók spontán visszafordítása körülbelül 600 évet venne igénybe, mondja England. A peptidkötések száma egy tipikus baktériumban körülbelül 1,6 milliárd, és az összes ilyen kötés felbontásához szükséges hőteljesítmény körülbelül 100 milliárd természetes egység.
“Nagyon sokáig kellene várni, hogy lássam az összes kötés szétesését” – mondja England.
A spontán replikáció megfordulásának megfigyeléséhez szükséges várakozási időt megbecsülve England kiszámította, hogy a minimális hőmennyiség, amelyet egy baktériumnak osztódás közben termelnie kell, alig több mint egyhatoda annak a mennyiségnek, amelyet egy E. coli sejt ténylegesen termel a replikáció során.
“Fizikusként, aki megpróbál hozzájárulni az élet tanulmányozásához, rendkívül bátorítónak találom a sikerét” – mondja Carl Franck, a Cornell Egyetem fizika docense. “Elegánsan, kvantitatív betekintést nyújt az élő anyag egyik központi aspektusába: a replikációba. Rátapintott arra, hogy mi az egyszerű és érdekes valami nagyon bonyolult dologban.”
A felfedezés azt sugallja, hogy a baktériumok a jelenleginél drámaian gyorsabban növekedhetnének, és mégis engedelmeskedhetnének a termodinamika második törvényének. England szerint mivel a sejtreplikáció csak egy a sok feladat közül, amit az E. coli-nak el kell végeznie, nem valószínű, hogy a lehető leghatékonyabb növekedési sebességre fejlődnének. A szintetikus biológiai alkalmazások számára azonban hasznos lehet olyan baktériumokat létrehozni, amelyek gyorsabban tudnak osztódni, ami a tanulmány szerint elméletileg lehetséges.
A tanulmány bizonyítékot szolgáltathat arra is, hogy miért a DNS, és nem az RNS fejlődött ki a genetikai anyag fő formájaként, mondja England: A DNS tartósabb, és nem bontja meg spontán a kötéseit olyan könnyen, mint az RNS. Ez azt jelenti, hogy az RNS-nek előnye lehet a DNS-sel szemben, mert gyorsabban tud növekedni és fel tudja használni a rendelkezésre álló erőforrásokat. Ez alátámasztja azt a korábban felvetett hipotézist, miszerint az RNS fejlődhetett ki először, mielőtt az élet megjelent a Földön, és a DNS később jelent meg.
“Azt hiszem, ez egy hasznos módja annak, hogy megpróbáljuk egy kicsit jobban megragadni a nukleinsavakra ható különböző szelekciós erőket” – mondja England.”
Most ugyanezt az elméleti megközelítést használja arra, hogy modellezze, hogyan fejlődnek az önreprodukáló sejtek azáltal, hogy a környezeti ingadozásokhoz való alkalmazkodás új módjait dolgozzák ki.”