De veronderstelde ‘demon’ van de natuurkunde kan gevonden zijn op de loer in onze cellen

In een poging zijn ideeën over de opkomende wetenschap van de thermodynamica te testen, stelde natuurkundige James Clerk Maxwell zich in 1867 voor Slimme duivel Sorteer moleculen tussen twee containers op basis van hun energie.

In 2023 is mogelijk een minder demonische versie van Maxwells denkbeeldige demon gevonden.

Volgens een nieuwe studie uitgevoerd door onderzoekers van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Zwitserland, worden eiwitten die in celmembranen worden aangetroffen… ATP-bindende cassette (ABC) transporters Ze hebben kenmerken die de demon van Maxwell nabootsen, waardoor ze substraten kunnen doorzoeken.

In feite bestaan ​​ABC-transporters al miljarden jaren en zijn ze te vinden in bijna alle levende organismen. Bovendien past het bij de natuur Wetten van de thermodynamica.

Het blijkt dat Maxwell onbedoeld een fundamenteel aspect van het leven beschreef.

‘We hebben laten zien dat de ABC’s de ware demonen van Maxwell zijn’ Hij zegt Paulo de los Ríos, hoofd van het statistische biofysica-laboratorium bij EPFL.

“Meting, feedback, het resetten van de stappen van Maxwells demonen, de behoefte aan energie en beschrijving in termen van thermodynamica van informatie zijn allemaal opkomende kenmerken van het model.”

De door Maxwell beschreven demon bestuurde een deur tussen twee containers met gas, waardoor de energetische moleculen de ene kant op konden gaan en de koelere moleculen de andere kant op, in weerwil van het evenwicht dat hun distributie in evenwicht zou hebben gebracht.

Als onderdeel van het systeem (en van het magische duiveltje, dat zelf niet afhankelijk is van energie), zal de duivel energie creëren uit de opgewekte energie. Temperatuur verschil Van helemaal geen.

van nature De wetten van de thermodynamica stellen dat energie niet uit het niets kan komen, omdat er inspanning nodig zou zijn om de snelheid van de deeltjes te meten en te onthouden.

Inconsistenties zoals verschillende temperaturen in Maxwell-boxen worden echter vaak gezien in de natuur, evenals verschillende moleculaire concentraties binnen en buiten de cel.

Wetenschappers hebben Eerder verdacht Zoiets als de demonen van Maxwell kunnen betrokken zijn bij het energie-intensieve proces van het transporteren van moleculen tegen de stroom van een normale concentratiegradiënt in. Maar dit is de eerste keer dat het informatieraamwerk voor een dergelijk systeem is beschreven en ontworpen op een manier die teruggrijpt op het beroemde gedachte-experiment van Maxwell.

Wat de onderzoekers suggereren is dat ABC-transporters die zich op celmembranen bevinden, de stroom van moleculen op dezelfde manier controleren als de duivels van Maxwell, met behulp van energie uit ATP (Adenosine trifosfaat) moleculen om het proces uit te voeren.

De biochemische structuur van de transporters wordt vervolgens geschaald, teruggekoppeld en gereset, afhankelijk van de positie van het molecuul dat wordt getransporteerd, zoals weergegeven in het bovenstaande diagram.

Het is een belangrijke ontdekking, omdat het ons meer leert over hoe cellen hun omgeving kunnen organiseren en kunnen functioneren zoals ze nodig hebben, door de import en export van moleculen te beheren, als een kleine duivel aan de celdeur.

Hoewel de onderzoekers enkele vereenvoudigingen hebben aangebracht om hun berekeningen te laten werken, hebben ze er vertrouwen in dat wat ze in hun artikel laten zien, kan worden toegepast op complexere systemen, systemen die wijdverspreid van aard zijn.

“Deze aanpak dient als een nuttig conceptueel raamwerk voor het begrijpen van de complexe biochemische circuits van deze systemen.” Hij schrijft De onderzoekers in hun gepubliceerde artikel.

Het onderzoek is gepubliceerd in Communicatiefysica.