Wszystkie żywe istoty muszą przestrzegać praw fizyki – w tym drugiego prawa termodynamiki, które stanowi, że nieporządek we wszechświecie, czyli entropia, może tylko rosnąć. Wysoce uporządkowane komórki i organizmy wydają się zaprzeczać tej zasadzie, ale w rzeczywistości są zgodne, ponieważ generują ciepło, które zwiększa ogólną entropię wszechświata.
Wciąż pozostają pytania: Jaki jest teoretyczny próg dla ilości ciepła, które żywa komórka musi wygenerować, aby spełnić swoje termodynamiczne ograniczenia? I jak blisko komórki zbliżają się do tego limitu?
W ostatnim artykule w Journal of Chemical Physics, fizyk MIT Jeremy England matematycznie modelował replikację bakterii E. coli i odkrył, że proces ten jest prawie tak wydajny, jak to tylko możliwe: E. coli produkują najwyżej tylko około sześć razy więcej ciepła niż potrzebują, aby spełnić ograniczenia drugiego prawa termodynamiki.
„Biorąc pod uwagę, z czego zbudowana jest bakteria i jak szybko rośnie, jaka byłaby minimalna ilość ciepła, którą musiałaby odprowadzić do otoczenia? Kiedy porównasz to z ilością ciepła, które faktycznie wydziela, okaże się, że są one mniej więcej w tej samej skali” – mówi England, adiunkt fizyki. „Jest to stosunkowo blisko maksymalnej wydajności.”
Podejście Englanda do modelowania systemów biologicznych obejmuje mechanikę statystyczną, która oblicza prawdopodobieństwo różnych układów atomów lub cząsteczek. Skupił się na biologicznym procesie podziału komórki, dzięki któremu jedna komórka staje się dwiema. Podczas 20-minutowego procesu replikacji bakteria zużywa dużą ilość pożywienia, zmienia układ wielu swoich cząsteczek – w tym DNA i białek – a następnie dzieli się na dwie komórki.
Aby obliczyć minimalną ilość ciepła, jaką bakteria musi wytworzyć podczas tego procesu, England postanowił zbadać termodynamikę procesu odwrotnego – czyli dwóch komórek stających się jedną. Jest to tak mało prawdopodobne, że prawdopodobnie nigdy się nie wydarzy. Jednak prawdopodobieństwo jego wystąpienia można oszacować poprzez zsumowanie prawdopodobieństw odwrócenia wszystkich mniejszych reakcji, które zachodzą podczas replikacji.
Jedną z powszechnych reakcji zachodzących podczas replikacji jest tworzenie nowych wiązań peptydowych, które tworzą szkielet białek. Spontaniczne odwrócenie tego typu reakcji zajęłoby około 600 lat, mówi England. Liczba wiązań peptydowych w typowej bakterii wynosi około 1,6 miliarda, a moc cieplna potrzebna do zerwania wszystkich tych wiązań to około 100 miliardów jednostek naturalnych.
„Musiałbym czekać naprawdę długo, aby zobaczyć jak wszystkie te wiązania się rozpadają,” mówi England.
Oszacowując czas oczekiwania potrzebny do zaobserwowania spontanicznego odwrócenia replikacji, England obliczył, że minimalna ilość ciepła, którą bakteria musi wygenerować podczas podziału to trochę więcej niż jedna szósta ilości, którą komórka E. coli faktycznie wytwarza podczas replikacji.
„Jako fizyk próbujący przyczynić się do badania życia, uważam jego sukces za niezwykle zachęcający,” mówi Carl Franck, profesor nadzwyczajny fizyki na Cornell University. „Z elegancją dostarcza ilościowego wglądu w kluczowy aspekt żywej materii: replikację. On jest keying w na to, co jest proste i interesujące o czymś bardzo skomplikowane.”
Znalezisko sugeruje, że bakterie mogłyby rosnąć dramatycznie szybciej niż robią to teraz i nadal przestrzegać drugiego prawa termodynamiki. England twierdzi, że ponieważ replikacja komórek jest tylko jednym z wielu zadań, które E. coli muszą wykonać, jest mało prawdopodobne, aby ewoluowały one do najbardziej efektywnego możliwego tempa wzrostu. Jednakże, dla zastosowań biologii syntetycznej, może być użyteczne stworzenie bakterii, które mogą dzielić się szybciej, co jak pokazuje ten artykuł jest teoretycznie możliwe.
Papier może również oferować pewne dowody na to, dlaczego DNA, a nie RNA, ewoluował jako główna forma materiału genetycznego, Anglia mówi: DNA jest bardziej trwałe i nie spontanicznie łamie swoje więzi tak łatwo, jak RNA robi. Oznacza to, że RNA może mieć przewagę nad DNA, ponieważ może rosnąć szybciej i zużywać dostępne zasoby. Wspiera to wcześniej sugerowaną hipotezę, że RNA mogło wyewoluować jako pierwsze, zanim życie powstało na Ziemi, a DNA pojawiło się później.
„Myślę, że jest to pomocny sposób, aby spróbować uzyskać trochę więcej uchwyt na różnych rodzajach sił selekcji, które mogły działać na kwasy nukleinowe,” mówi England.
Teraz używa tego samego podejścia teoretycznego do modelowania, jak samoreplikujące się komórki ewoluują poprzez wypracowanie nowych sposobów adaptacji do fluktuacji środowiskowych.
.