Kai laikas eina atgalios: ką termodinamika gali papasakoti apie gyvybę?

Antrasis termodinamikos dėsnis, suteikiantis mums laiko kryptį, mažiausiu masteliu nuolat pažeidžiamas – ši įžvalga jau pateikia naujas didžiųjų biologijos mįslių įminimo užuominas

Sėdite su draugu kavinėje, jūs užsisakote kapučino, jis ledų kokteilį. Tačiau, besiruošdamas siurbtelėti kavos, pastebite, kad iš puodelis kaista, iš jos vis smarkiau ima virsti garai. Nustebęs rengiatės parodyti tai draugui, tačiau pastebite, kad jo liežuvis įstrigęs suledėjusiame kokteilyje. Išsigandę ir nesuprasdami kas vyksta, pasileidžiate link automobilio, užvedate jį, bet pastebite, kad kuro rodyklė slenka aukštyn – variklis siurbia karštį ir dūmus ir verčia juos kuru bei oru.

To niekada nenutiko ir galima būti beveik tikram, kad niekuomet nenutiks. Bet esminis žodis čia „beveik“. Nors kasdienybėje energijos kitimo procesai taip nevyksta, atomų ir molekulių lygiu jie gali vykti – ir vyksta – atgalios.

Kad laiko tėkmės vienkryptiškumas gali būti pažeistas, fizikai suprato daugiau nei prieš šimtą metų. Tačiau tik gan neseniai ėmėme suprasti to reikšmę daugeliui pačią gyvybę lemiančių procesų.

Geresnis tokių procesų vykimo – ir jų ribų – supratimas ne tik pertvarko tradicinį supratimą apie energiją, bet ir parodo naujas atsakymų į seniai kamuojančius žmogaus biologijos klausimus – netgi apie neurologinius susirgimu – užuominas. Tyrėjai savo dėmesį nukreipė į šių idėjų taikymą, siekiant suprasti didžiausią paslaptį – gyvybės atsiradimą.

XVIII ir XIX amžiuje vykusi pramonės revoliucija vis daugiau sunkaus rankų darbo pakeitė variklių galia. Kai pasirodė garo varikliai, inžinieriai taip pat ėmėsi tobulinti esamus darbą palengvinančius „variklius“, tokius kaip vandens ratai ir vėjo malūnai. Šis naujas pramoninis pasaulis tapo įdomia žaidimų aikštele gamtos filosofams, kurioje jie galėjo aiškintis energijos paslaptį ir taisykles, reglamentuojančias, kaip ji paverčiama naudingu darbu. Iki 1860 m. Rudolfas Clausius ir Williamas Thomsonas (vėliau – lordas Kelvinas) viską išdėstė dviem dėsniais, vėliau išplėstais iki keturių. Šie dėsniai buvo sukurti, remiantis ankstesnėmis Sadi Carnot ir Jameso Joule'io įžvalgomis ir gali būti taikomi ne tik varikliams, bet ir visiems gamtos procesams. Gimė mokslas apie energiją – termodinamika

Apie termodinamiką galima mąstyti kaip apie kazino. Pirmasis termodinamikos dėsnis sako, kad jūs negalite kurti energijos, tik ją pervesti, lygiai taip pat, kaip lošėjo potencialius laimėjimus riboja pinigai banko sąskaitoje ir namo pinigai.

Antrasis dėsnis pagrįstas entropijos sąvoka. Grubiai tariant, yra entropija yra energijos sklidimo ir sklaidymosi matas. Didelė entropija reiškia didelę netvarką ir mažą energiją. Antrasis dėsnis skelbia, kad bet kokio natūralaus proceso metu entropija negali sumažėti – kitaip tariant, gauti energijos arba padidinti tvarkingumo nevalia. Tai tas pats, kas sakyti, kad iš bet kurio pakankamai laiko trukusios kelionės į kazino, visada grįšite namo su mažiau grynųjų, nei atsinešėte.

Tačiau tai netrukdo jums laimėti keletą „blackjack“ žaidimų. Grįžtant prie termodinamikos, šie atsitiktiniai laimėjimai yra reta atomų ir molekulių sąveika, kai entropija iš tikrųjų sumažėja, o ne padidėja, tarsi procesas vyktų atgal.

1878 m. Jamesas Clerkas Maxwellas jau buvo užsiminęs apie šią spragą, Nature knygos apžvalgoje rašydamas: „Todėl antrojo dėsnio teisingumas yra statistinis, o ne matematinis, nes priklauso nuo fakto, kad kūnai, su kuriais susiduriame, susideda iš milijonų molekulių… Vadinasi, antrasis termodinamikos dėsnis nuolat pažeidžiamas.

Mažos pergalės

Kalbant apie natūralius procesus, pavyzdžiui, kavos puodelio neišvengiamą atšalimą, pažeidimai, pasireiškiantys keliomis energijos įgyjančiomis sąveikomis, bendrai tendencijai pereiti į mažiausios energijos ir didžiausios netvarkos būseną, vadinamą maksimalia entropija, įtakos neturi. Iš esmės, kasdieniame pasaulyje kazino visada laimi – nebent apgaudinėjate, termodinamikos požiūriu tai atitinka energijos iš išorės pumpavimą į procesą. Tačiau nanopasaulis panašesnis į atskirą „blackjack“ stalą. Stebėdami mažas dalelių grupes, mokslininkai matė, kaip žaidėjai laimi neįtikėtinas pergalių serijas.

Dar 2001 m. Denisas Evansas iš Australijos nacionalinio universiteto Kanberoje su kolegomis paleido lazerio spindulį į vandenyje skendintį mikrometro dydžio latekso rutuliuką. Jie naudojo lazerį kaip „optinį pincetą“, dabar įprastą mažų objektų sugriebimo šviesos lauku techniką. Eksperimente rutuliuko paviršius veikė kaip lęšis, išlenkiantis lazerio šviesą ir sukuriantis rutuliuką spindulio centre išlaikančią jėgą. Šia jėga tyrėjai lėtai tempė rutuliuką per vandenį. Vadovaujantis Clausiaus ir Kelvino termodinamika, nesvarbu, kiek kartų eksperimentas būtų kartojamas, rutuliukas turėjo nuolankiai sekti spindulį.

Tačiau per šimtus pakartojimų, rutuliukas retkarčiais pasistumdavo pirmiau spindulio. „Rutuliukas išgaudavo aplinkos šilumą iš vandens ir paversdavo ją darbu, kad judėtų prieš „natūralų“ lazerio spindulio židinio judėjimą“, – paaiškina Evansas.

Nors šie nedideli maišto aktai vienu metu truko tik maždaug 2 sekundes, jie pažeidė antrąjį termodinamikos dėsnį. Iš esmės tyrėjai matė, kaip rutuliukas įveikia kazino.

Tai buvo ne tik pirmas kartas, kai buvo pastebėti tokio laiko ir ilgio masto pažeidimai, bet ir skaičiai atitiko šiuolaikinį antrojo termodinamikos dėsnio variantą, kurį Evansas ir jo bendradarbė Debra Bernhardt iš Kvinslando universiteto, Australijoje, ruošė dešimtojo dešimtmečio pradžioje. Ši „fluktuacijų teorema“ papildė antrąjį dėsnį, kad jį būtų galima ištirti naudojant statistiką. Ten, kur tradicinis dėsnis tvirtina, kad laikui bėgant entropija visada didėja – kava atvėsta, varikliai degina benziną ir pan. – jų stochastinė teorija paaiškino, kaip mažų individualių procesų entropija gali didėti arba mažėti, tačiau užtikrinant, kad vidutiniškai, ji visada didėjo.

Apskritai, fluktuacijų teorema parodė, kaip pasikeičia termodinamika, artėjant prie nanomastelio. Ten, tyrimų objektą nuolatos bombarduojama aplinkinės molekulės, sukurdamos atsitiktinumo elementą, dėl kurio sistema virpa. Šis virpėjimas sukelia energijos svyravimus ir antrojo termodinamikos dėsnio pažeidimus ir netgi laiko strėlė subliūra.

„Įprastu mūsų masteliu kiaušiniai ištykšta ir mažėjančios entropijos nesimato“, – sako Deividas Wolpertas. Santa Fe institutas Naujojoje Meksikoje, kuris specializuojasi termodinamikos srityje. „Kai pereinant prie vis mažesnių mastelių, bus didesnė tikimybė matyti atvirkščius procesus.

Tai nėra tokie procesai, kaip automobilis, įjungus atbulinę pavarą, važiuoja atbulas. Atgalinis procesas labiau primena Slinky, keliaujantį laiptais aukštyn, arba ištaškytą kiaušinį, kuris atsinaujina: tai neįmanoma mūsų pasaulio, kur laikas atrodo tvirtai nukreiptas pirmyn, mastu, tačiau nanopasaulyje taip nėra. Ten laikas vis dar linkęs eiti į priekį, bet nebėra griežtai apribotas ta kryptimi. Šis nedidelis polinkis eiti į priekį atskiros molekulės lygmeniu palaipsniui sustiprina laiko termodinaminę strėlę, kai pridedame vis daugiau molekulių ir susidaro įspūdis, kad viskas visada eina į priekį.

Atliktas nanotechnologijų komercinio įsigalėjimo metu, 2001 m., Evanso eksperimentas ir supratimą verčiančios keisti jo pasekmės paskatino pašėlusį darbą. Mokslininkai išvedė naujas fluktuacijų teoremas įvairiems specializuotiems scenarijams ir apibendrinimams. Jie bandė derinti fluktuacijų teoremas su kvantine teorija ir kitomis tyrimų sritimis. Ir jie atliko daugybę eksperimentų, pažeisdami antrąjį dėsnį, patvirtinantį teoremas skirtingomis aplinkybėmis.

„Tai ne kaip automobilis, važiuojantis atbuline eiga, tai panašu į sudužusį kiaušinį, kuris pats atsinaujina“

Tyrėjai iš karto suprato, kaip šios teoremos galėtų padėti jiems susidoroti su mažų sistemų termodinamika, kuri atrodė galinti sukelti nanomastelio įrenginių ir elektronikos perversmą. Tačiau jos kaip unikalus mokslo įrankis pasižymėjo netikėtoje srityje – netvarkingame biofizikos pasaulyje, kur esami metodai buvo labiau riboti. Tai įvyko dėl eksperimento, kurio metu buvo išbandyta idėja, kurią 1997 m. pirmą kartą pasiūlė Chrisas Jarzynskis, kuris dabar yra Merilendo universitete.

Jarzynskio lygybė, kaip dabar žinoma, savo dvasia primena Evanso ir Bernhardto fluktuacijų teoremą, bet entropiją pakeičiant darbu – jėgos sukuriama ir perduodamą energiją į objektą arba iš jo, kad jis judėtų. Kaip entropijos svyravimai buvo įtraukti į pradinę fluktuacijų teoremą, Jarzynskis įtraukė darbo svyravimus į savo. Tai leido jam apibrėžti būdą išmatuoti didžiausią energijos kiekį, kurį galima atlaisvinti iš realaus pasaulio sistemos, atlikti naudingą darbą: laisvos energijos skirtumą.

Siekdama patikrinti šią lygybę komanda, vadovaujama Carloso Bustamante'o iš Kalifornijos universiteto Berklyje, kelis kartus išlankstė ir perlankstė vieną RNR molekulę. Pusę laiko jie labai lėtai atitraukė molekulę, leisdami energijai ir jėgoms tolygiai pasklisti kiekviename etape. Tai leido jiems atidžiai išnagrinėti procesą naudojant standartinę termodinamiką ir užrašyti tvirtą laisvos energijos skirtumo vertę.

Likusį laiką jie labai sparčiai traukė RNR, todėl procesas, kurio darbą buvo galima analizuoti tik taikant Jarzynskio lygybę. „Kai tai darote greitai, kiekvieną kartą eksperimentu gaunate skirtingą darbo vertę,“ sako Jarzynskis. „Eksperimentą kartojant daug kartų, šie darbo svyravimai sudaro verčių pasiskirstymą, iš kurio galima išvesti vidurkį.“ Nuostabu, kad laisvosios energijos skirtumo reikšmės pagal standartinę termodinamiką ir Jarzynskio lygybę sutapo.

Unikalus įrankis

Paprasta, bet elegantiška Bustamantės ir jo komandos demonstracija parodė, kaip fluktuacijų teoremos ir apskritai stochastinė termodinamika gali būti panaudota siekiant gauti informacijos iš realių nanosistemų, kurios tradicinė termodinamika gauti negali. Tradicinėje termodinamikoje aprašomos tik artimos pusiausvyrai sistemos, kuriose energija nei patenka, nei išeina, o viskas vyksta sklandžiai ir lėtai. Realiame pasaulyje beveik niekas nėra pusiausvyroje. Dauguma sistemų yra nuolatinio srauto būsenoje, į jas nuolat įeina ir išeina energija. Galimybė išgauti praktines termodinamines vertes, tokias kaip darbas, iš netvarkingos, realaus gyvenimo sistemos, kurioje nėra pusiausvyros, buvo didžiulis žingsnis į priekį.

Dar daugiau, gali būti būdų, kaip šias priemones panaudoti daug didesnėse sistemose. „Tos pačios teoremos galioja nepriklausomai nuo sistemos mastelio“, – sako Wolpertas. „Jos galioja tiek žmonių visuomenės, tiek atskirų RNR molekulių lygmeniu.“

Sukūrus vis didesnių gyvųjų sistemų stochastinius termodinaminius aprašus, galima susidaryti vaizdą, kaip galbūt brangiausias Žemės reiškinys sugeba nuolat išlaikyti pusiausvyrą, nepaliaujamai kovodamas su netvarka – pati gyvybė. Wolpertas taip pat mano, kad tai gali padėti nustatyti ląstelių lygmens natūraliosios atrankos fiziką, taigi ir gyvybės atsiradimą. Jis nėra vienišas. „Kadangi gyvybės kilmę reikia suprasti pagal skirtingų molekulių sąveiką, stochastinė termodinamika suteikia mums tinkamus teorinius įrankius šioms problemoms analizuoti,“ – sako Jarzynskis.

Pradėję nuo molekulinio lygmens, biofizikos tyrėjai pasinaudojo šiomis priemonėmis ir atliko daugybę eksperimentų, kuriais jau gauti įdomūs rezultatai. Buvo siekiama suprasti mechanizmus, kuriais grindžiami nanomastelio biologiniai garo variklių atitikmenys.

Molekuliniai varikliai – tai baltymai, kurie turimą energiją paverčia mechaniniu judesiu. Jie atlieka esminį vaidmenį įvairiuose gyvybiškai svarbiuose procesuose, pavyzdžiui, raumenų susitraukime, DNR transkripcijoje ir medžiagų, pavyzdžiui, neurotransmiterių ir hormonų, judėjime ląstelėse.

Dar visai neseniai molekulinių variklių tyrimus ribojo jų supaprastintas pobūdis. Galiausiai, jie negalėjo atkartoti sudėtingo, tarpusavyje susijusio variklių veikimo ar sudėtingos ląstelės aplinkos. Tačiau Kumiko Hayashi ir Shinsuke Niwa iš Tohoku universiteto (Japonija) rado būdą, kaip iš tiesų užfiksuoti įvairių molekulinių variklių veikimą natūralioje aplinkoje.

2018 m. Hayashi ir Niwa išbandė naują, neinvazinę techniką su kirminais, siekdami išsiaiškinti, kaip molekuliniai varikliai, vadinami kinezinais ir dineinais, perneša medžiagas pirmyn ir atgal tarp motorinių neuronų, nervų signalus perduodančiais aksonais. Jie galėjo naudoti fluktuacijų teoremą įvertinti vien krovinį pernešančių molekulinių variklių fluktuacinių judesių energiją. Taip jie nustatė, kad šie molekuliniai varikliai gali gabenti krovinius kartu, kaip skruzdėlių tandemas.

Įdomu tai, kad lygindamas sveikus kirminus su kirminais, kurių genas, susijęs su tinkamu molekulinio variklio veikimu, buvo ištrintas, Niwa išsiaiškino, kad mutavusiuose kirminuose krovinius gabeno mažiau variklių, nei sveikuose, o tai gali susilpninti transportavimą ir net krovinys ga;i būti pristatytas į netinkamą vietą.

Hayashi taip pat atkreipia dėmesį į tai, kad kiti mokslininkai neseniai nustatė paveldimos spazminės paraplegijos – reto sutrikimo, sukeliančio žmonių kojų raumenų silpnumą ir sustingimą – priežastį, susijusią su motorinių baltymų, pernešančių neuronų krovinius, mutacijomis. Ji mano, kad jos darbas su Niwa paaiškina esminį ligos kilimo fizinį mechanizmą. Žvelgiant plačiau, Hayashi yra optimistiškai nusiteikusi, kad fluktuacijų teoremos gali padėti neurologijos tyrimams, nes padeda atskleisti kitų neurologinių ligų mechanizmus, pavyzdžiui, Huntingtono, Parkinsono ir Alzheimerio ligos.

Tačiau norėdami susidaryti platesnį vaizdą apie sveikatą, ligas ir net pačią gyvybę, Wolpertas ir kiti, dirbantys su didesnėmis sistemomis, privalo atsižvelgti į turtingą ir sudėtingą sąveikaujančių posistemių hierarchiją. Pavyzdžiui, kiekvienoje žmogaus kūno ląstelėje yra daug susipynusių skirtingo mastelio dalių, atliekančių specializuotus darbus. Užfiksuoti, kaip tada transportuojama energija – nepaprastai sunku. Tačiau tai daro įtaką.

Informacijos kiekybinio vertinimo, saugojimo ir perdavimų teorijų ryšio su termodinamikos teorijos istorija ilga ir vaisinga. Žvelgiant, kaip informacija teka per dideles sistemas, „gali rastis modeliai, valdantys termodinamines savybes, susijusias su visų tų posistemių sąveika“, – sako Wolpertas. Jis tiki, kad informacijos srautas – ir plačiau, informacijos transformacija, – atliks „esminį vaidmenį suprantant bendrą tokių sistemų kaip ląstelė termodinamiką“.

„Šis naujas požiūris gali nustatyti ląstelių lygio natūralios atrankos fiziką ir kartu – gyvybės atsiradimą“

Wolpertas jau matematiškai patikslino fluktuacijų teoremas, kad šios apimtų kelias tarpusavyje sąveikaujančias dalis. Taip jis gali, bent jau teoriškai, pradėti analizuoti, kaip termodinamika priklauso nuo komunikacijos struktūros tarp konkrečios sistemos posistemių. Tačiau jis toli gražu nėra naivus, vertindamas užduoties mastą. „Tai bus daugelio metų nuolatinis darbas.“

Aišku tik, kad net pradedant atsakyti į klausimus apie gyvybės kilmę ir išlikimą, mūsų naujas termodinamikos supratimas bus labai svarbus. Jei ligšiolinė patirtis yra ko nors pamoko, tai galite būti tikri, kad ji atvers netvarkingą, triukšmingą tikrovę, kurioje pokyčius valdo atsitiktinės fluktuacijos, galinčios netgi iškreipti laiko taisykles. Kalbant apie tai, ką ši rafinuota perspektyva galiausiai atskleis, prognozės – nedėkingas užsiėmimas.