פיזיקאים: אנחנו צריכים חוק רביעי לדינמיקה תרמית

SadaNews - פיזיקת הדינמיקה התרמית, הכוללת כמויות כמו חום ואנטרופיה (מדד למידת ההתפשטות במערכת), מציעה כלים לקבוע כמה מערכת אידיאלית של חלקיקים רחוקה ממצב של שוויון ויציבות.

אך כשזה מגיע לחיים, לא ברור שהחוקים הנוכחיים שלנו לדינמיקה תרמית מספיקים. עכשיו, ייתכן שהמדענים עשו את הצעד הראשון לקראת יצירת חוק חדש.

דינמיקת החיים

הדינמיקה התרמית חשובה לחיים, כי להיות מחוץ לאיזון הוא אחת התכונות העיקריות שלה. אך מכיוון שהתאים מלאים בחלקיקים שצורכים אנרגיה באופן פעיל, מצב התא שונה מ, למשל, קבוצה של חרוזים צפים בנוזל.

למשל, לתאים יש "נקודת הגדרה", מה שאומר שהם מתנהגים כאילו הם עוקבים אחרי תרמוסטט פנימי. יש מנגנון של מזון חוזר שמחזיר אותם לנקודת ההגדרה, מה שמאפשר להם להמשיך לפעול. סוג ההתנהגות הזה עשוי שלא להיות קל לתפוס בעזרת הדינמיקה התרמית הקלאסית.

כדי להבין כיצד ה"חוסר איזון" במערכות חיות שונה ממצב חוסר האיזון במערכת לא חיה, פנו נ. נארנדר ואליזבת פישר-פרידריך מאוניברסיטת דרזדן לטכנולוגיה בגרמניה לתאי הלה-אנושיים - זן של תאי סרטן שמשתמשים בדרך כלל במחקר מדעי ונלקחו ללא הסכמתה של אישה בשם הנרייטה לאקס בשנות החמישים של המאה העשרים.

ראשית, השתמשו החוקרים בחומרים כימיים כדי לעצור את התאים באמצע תהליך חלוקת התא. לאחר מכן, הם מדדו את הממברנות החיצוניות שלהם בעזרת קצה של מיקרוסקופ כוח אטומי כדי להעריך כיצד השתנו התנודות בממברנה של כל תא כאשר החוקרים התערבו בכמה תהליכי התא.

המדענים גילו שלגבי התנודות הללו, לא הייתה "מתכון" אחת של דינמיקה תרמית סטנדרטית שמסבירה באופן מושלם את התנהגות המערכת הלא חיה. במיוחד, התברר ש"הרעיון של טמפרטורה אפקטיבית" אינו מדויק. זהו רעיון שמטרתו לתפוס דבר דומה להבנתנו כיצד עולה הטמפרטורה כאשר אנו מוציאים מערכת כמו סיר מים מאיזון על ידי חימום.

חוסר סימטריית זמן

הצוות הגיע למסקנה שיש כמות פיזיקלית שימושית יותר לתפוס את דרגת חוסר האיזון של החיים והיא "חוסר סימטריית זמן ההשתקפות". תכונה זו בוחנת עד כמה תהליך ביולוגי שונה אם הוא מתרחש לאחור במקום קדימה בזמן.

יתכן כי קיום חוסר סימטריית זמן ההשתקפות קשור ישירות לעובדה שהתהליכים הביולוגיים משרתים מטרה כמו הישרדות ורבייה, אומרת פישר-פרידריך.

כאשר מדובר בחיים, לא ברור שהחוקים שלנו לדינמיקה תרמית מספיקים, או כמו שאומר צ'ייס ברודרז באוניברסיטה החופשית באמסטרדם בהולנד "אנחנו יודעים בביולוגיה שיש הרבה תהליכים שתלויים באמת בכך שהמערכת תהיה מחוץ לאיזון, אך זה באמת חשוב לדעת כמה רחוק המערכת מהאיזון", והוא מוסיף שהמחקר החדש קובע כלים חדשים וערך כדי לחזק את זה.

בסופו של דבר, הצוות רוצה לנגזר משהו דומה לחוק רביעי של הדינמיקה התרמית שלא חל אלא על חומר חי שבו לתהליכים יש נקודת הגדרה, אומרת פישר-פרידריך.

 

מקור: אתרים באינטרנט