Toate ființele vii trebuie să se supună legilor fizicii – inclusiv celei de-a doua legi a termodinamicii, care spune că dezordinea universului, sau entropia, nu poate decât să crească. Celulele și organismele foarte ordonate par să contrazică acest principiu, dar de fapt ele se conformează, deoarece generează căldură care mărește entropia generală a universului.
Cu toate acestea, rămân întrebări: Care este pragul teoretic al cantității de căldură pe care o celulă vie trebuie să o genereze pentru a-și îndeplini constrângerile termodinamice? Și cât de aproape se apropie celulele de această limită?
Într-o lucrare recentă din Journal of Chemical Physics, fizicianul MIT Jeremy England a modelat matematic replicarea bacteriei E. coli și a constatat că procesul este aproape cât se poate de eficient: E. coli produce cel mult doar de aproximativ șase ori mai multă căldură decât are nevoie pentru a respecta constrângerile celei de-a doua legi a termodinamicii.
„Având în vedere din ce este alcătuită bacteria și având în vedere cât de rapid crește, care ar fi cantitatea minimă de căldură pe care ar trebui să o evacueze în mediul înconjurător? Când comparăm acest lucru cu cantitatea de căldură pe care o evacuează de fapt, ele sunt aproximativ pe aceeași scară”, spune England, profesor asistent de fizică. „Este relativ aproape de eficiența maximă.”
Abordarea lui England pentru modelarea sistemelor biologice implică mecanica statistică, care calculează probabilitățile diferitelor aranjamente de atomi sau molecule. El s-a concentrat asupra procesului biologic de diviziune celulară, prin care o celulă devine două. În timpul procesului de replicare, care durează 20 de minute, o bacterie consumă o cantitate mare de hrană, își rearanjează multe dintre moleculele sale – inclusiv ADN și proteine – și apoi se împarte în două celule.
Pentru a calcula cantitatea minimă de căldură pe care o bacterie trebuie să o genereze în timpul acestui proces, England a decis să investigheze termodinamica procesului invers – adică două celule care devin una. Acest lucru este atât de puțin probabil încât probabil că nu se va întâmpla niciodată. Cu toate acestea, probabilitatea ca acesta să se întâmple poate fi estimată prin agregarea probabilităților de inversare a tuturor reacțiilor mai mici care au loc în timpul replicării.
Una dintre reacțiile comune care au loc în timpul replicării este formarea de noi legături peptidice, care formează coloana vertebrală a proteinelor. Inversarea spontană a acestui tip de reacție ar dura aproximativ 600 de ani, spune England. Numărul de legături peptidice într-o bacterie tipică este de aproximativ 1,6 miliarde, iar puterea termică necesară pentru a rupe toate aceste legături este de aproximativ 100 de miliarde de unități naturale.
„Ar trebui să aștept foarte mult timp pentru a vedea toate aceste legături destrămându-se”, spune England.
Evaluând timpul de așteptare necesar pentru a observa o inversare spontană a replicării, England a calculat că cantitatea minimă de căldură pe care o bacterie trebuie să o genereze în timp ce se divide este puțin mai mult de o șesime din cantitatea pe care o celulă E. coli o produce efectiv în timpul replicării.
„În calitate de fizician care încearcă să contribuie la studiul vieții, consider că succesul său este extrem de încurajator”, spune Carl Franck, profesor asociat de fizică la Universitatea Cornell. „Cu eleganță, el furnizează o perspectivă cantitativă asupra unui aspect central al materiei vii: replicarea. El se axează pe ceea ce este simplu și interesant la ceva foarte complicat.”
Descoperirea sugerează că bacteriile ar putea crește dramatic mai repede decât o fac acum și totuși să se supună celei de-a doua legi a termodinamicii. England spune că, deoarece replicarea celulară este doar una dintre multele sarcini pe care E. coli trebuie să le îndeplinească, este puțin probabil ca acestea să evolueze până la cea mai eficientă rată de creștere posibilă. Cu toate acestea, pentru aplicațiile de biologie sintetică, ar putea fi utilă crearea de bacterii care se pot diviza mai repede, ceea ce această lucrare arată că este teoretic posibil.
Articolul poate oferi, de asemenea, unele dovezi pentru motivul pentru care ADN-ul, și nu ARN-ul, a evoluat ca formă principală de material genetic, spune England: ADN-ul este mai durabil și nu își rupe legăturile în mod spontan la fel de ușor ca ARN-ul. Acest lucru înseamnă că ARN-ul poate avea un avantaj față de ADN, deoarece poate crește mai repede și poate utiliza resursele disponibile. Acest lucru susține o ipoteză sugerată anterior, conform căreia ARN-ul ar fi evoluat primul, înainte de apariția vieții pe Pământ, iar ADN-ul a apărut mai târziu.
„Cred că este o modalitate utilă de a încerca să ne dăm seama mai bine de diferitele tipuri de forțe de selecție care ar fi putut acționa asupra acizilor nucleici”, spune England.
În prezent, el folosește aceeași abordare teoretică pentru a modela modul în care evoluează celulele autoreplicante, elaborând noi modalități de adaptare la fluctuațiile mediului.
.