Fysiker udleder termodynamikkens love for selve livet

Her er et interessant tankeeksperiment. Forestil dig en kasse fyldt med en række forskellige atomer og molekyler i proportioner, der nogenlunde svarer til sammensætningen af ​​den præbiotiske suppe, som livet trives i.

Hvor sandsynligt er det, at disse molekyler vil indrette sig i fuldgyldigt levende væsen, for eksempel en bakterie? Det er et svært spørgsmål, men Jeremy England ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge har fundet ud af, hvordan man beregner et svar, i det mindste i teorien. Hans resultater giver fascinerende læsning.

En del af problemet her er, at livet i sig selv er svært at definere. Men England har en vej rundt om dette. Hans idé er at undersøge enhver kombination af tilstande, der er mulige i denne boks, og at konsultere en alvidende mikrobiolog om, hvorvidt hver stat repræsenterer en bakterie eller ej. På den måde burde det i det mindste principielt være muligt at få en idé om den statistiske fysik, der er involveret.

Dernæst beder han mikrobiologen tage endnu et kig på kassen efter en periode, der nogenlunde svarer til den tid, det tager for bakterier at dele sig.

Spørgsmålet er så, hvor sandsynligt det er, at der vil være to bakterier i kassen.

Endnu en gang kunne den alvidende mikrobiolog se på enhver mulig tilstand af kassen og sige, om selvreplikation har fundet sted eller ej. Hvis kassen indeholder to bakterier, er det muligt at regne ud, hvor meget entropi der er blevet skabt i processen, og hvor meget varme der er brugt.

England smider nogle grundlæggende termodynamiske love ind og bygger på denne måde en statistisk fysikmodel for selvreplikation, en model, der er analog med de love, der styrer den statistiske opførsel af ethvert sæt partikler i en kasse.

Til sammenligning ser han også på statistikken, der styrer den omvendte proces – den spontane nedbrydning af bakterierne til kuldioxid, brint og så videre.

Dette sætter en vigtig grænse for, hvad der er termodynamisk muligt i dette system: i virkeligheden udleder England termodynamikkens anden lov for systemet. Ud fra dette udarbejder han forskellige 'love' såsom den mindste mængde varme, som en enkelt omgang celledeling burde producere.

Til sidst lægger han nogle tal ind i sin model, herunder tal som levetiden for peptidbindinger i biologiske systemer, for at finde ud af, hvor meget varme komplekse systemer som E. coli-bakterier burde producere, når de replikerer.

Det viser sig, at E. coli-bakterier er bemærkelsesværdigt effektive replikatorer. Organismen kan omdanne kemisk energi til en ny kopi af sig selv så effektivt, at hvis den skulle producere endda halvt så meget varme, ville den skubbe grænserne for, hvad der er termodynamisk muligt! han siger.

Han laver en lignende beregning for replikation af RNA- og DNA-molekyler. Dette tyder på, at med hensyn til termodynamik er replikation meget lettere for RNA end DNA.

Det er et interessant resultat i betragtning af, at mange biologer har foreslået, at de første selvreplikerende systemer i Jordens præ-biotiske suppe må have været baseret på RNA snarere end DNA

Tidligere har biologer undersøgt de katalytiske egenskaber af RNA, der er afgørende for levende celler, og bemærket, at DNA ikke deler disse egenskaber. Så tanken er, at RNA må være kommet først i den replikerende tidslinje, hvor DNA udvikler sig senere, efterhånden som livet blev mere komplekst.

Englands arbejde understøtter denne idé, men af ​​helt andre årsager - RNA er termodynamisk bedre til selvreplikation. Et fascinerende resultat.

Arbejdet har dog en vigtig begrænsning. Den formår ikke at tackle definitionen af ​​livets natur og udskyder i stedet problemet til en alvidende mikrobiolog, som det antages altid kan give et svar.

Der er et fristende hint om, at Englands tilgang en dag kan løse dette problem. Ved at udforske statistisk fysiks rolle mere detaljeret, er det måske muligt at definere liv i form af præcise termodynamiske grænser.

Derfor vil det være værd at se, hvor England tager hans idé næste gang.

Ref: arxiv.org/abs/1209.1179 : Statistisk fysik af selvreplikation

skjule