Elämän neljäs termodynamiikan laki? Kun solut kapinoivat fysiikan vanhoja sääntöjä vastaan

 

Termodynamiikkaan perehtyneet ovat todennäköisesti pohtineet, miksi termodynamiikan lait – nuo fysiikan pyhät periaatteet energiasta ja entropiasta – tuntuvat niin tylsiltä ja staattisilta verrattuna elämän kaaokseen? Lämpö laajenee, entropia kasvaa, mutta soluni jakautuvat ja korjaavat itseään kuin pienet kapinalliset koneet. New Scientist -lehden tuore artikkeli heittää kipinän, joka saattaa sytyttää koko alan uudelleen: tarvitsemme ehkä neljännen termodynamiikan lain elävien järjestelmien kuvaamiseksi.

Perinteinen termodynamiikka hoitaa mainiosti kuolleita juttuja: höyryä koneessa tai jään sulamista. Mutta elävässä organismissa? Solut eivät ole tasapainossa. Ne ylläpitävät "set pointia" – sellaista sisäistä tasapainoa – palautteen avulla, jotta ne voivat ahmia energiaa, jakautua ja ylipäänsä pysyä hengissä. Klassiset mallit, kuten "tehokas lämpötila", kompuroivat tässä kohtaa pahasti. Tutkijat N. Narinder ja Elisabeth Fischer-Friedrich Dresdenin teknillisestä yliopistosta kokeilivat HeLa-soluihin (niitä ikuisia syöpäsoluja laboratoriossa) ja keskeyttivät niiden jakautumisen puolivälissä. Kun he tönäsivät solukalvoja atomivoimamikroskoopilla, havaitsivat he outoja heilahteluja, jotka eivät sovi vanhoihin kaavoihin.

Avainlöydös? Aikakäänteisen symmetrian puute eli time reversal asymmetry. Eli jos kääntäisit biologiset prosessit ajassa taaksepäin, ne eivät näyttäisi samalta. Tämä epäsymmetria mittaa, kuinka kaukana systeemi on tasapainosta – ja se linkittyy suoraan elämän tarkoituksellisuuteen: selviytymiseen ja lisääntymiseen. Kasaamisteoriasta (assembly theory) tuttu ajatus on tällä rintamalla keskeinen pelaaja: elämä ei vain sekoita molekyylejä sattumalta, vaan rakentaa monimutkaisia rakenteita tarkoituksella. Entropia kasvaa, mutta elämä luo kompleksisuutta vastavirtaan.

Asiantuntijatkin innostuivat. Chase Broedersz kehuu, että tämä antaa työkaluja mitata epätasapainon astetta kvantitatiivisesti, ja Yair Shokef taputtaa olalle samanaikaisten mittareiden käyttöä. Fischer-Friedrich visioi jo: tästä syntyy neljäs laki, joka lähtee solujen havaittavista ominaisuuksista ja yhdistää fysiikan elämän tieteisiin.

Anssi H. Manninen (aka ”Kant II”)