Termodinamiğin yasaları, canlı hücrelerdeki karmaşık süreçleri doğru bir şekilde açıklamıyor; canlı sistemlerin dengeden çıkma yollarını doğru bir şekilde ölçmek için yeni bir yasaya ihtiyacımız var mı?
Kromozomların ayrıldığı bir aşama olan telofazdaki bir HeLa hücresi
Isı ve entropi gibi nicelikleri içeren termodinamiğin fiziği, idealleştirilmiş bir parçacık sisteminin dengeden ne kadar uzakta olduğunu belirlemek için köklü araçlar sunar. Ancak birbirine bağlı karmaşık hücrelerle hayat söz konusu olduğunda, mevcut termodinamik yasa dizimizin yeterli olup olmadığı açık değildir ve insan hücrelerini içeren bir dizi deney, yeni bir yasa oluşturma yolunda ilk adım olabilir.
Termodinamik yaşam için önemlidir çünkü dengenin dışında olmak onun temel özelliklerinden biridir. Ancak hücreler aktif olarak enerji tüketen moleküllerle dolu olduğundan, hücrenin durumu, örneğin sıvı içinde yüzen bir grup boncuktan farklıdır. Örneğin biyolojik hücrelerin bir ayar noktası vardır, bu da onların sanki dahili bir termostatı takip ediyormuş gibi davrandıkları anlamına gelir. Onları ayar noktasına geri getiren ve çalışmaya devam etmelerini sağlayan bir geri bildirim mekanizması vardır. Klasik termodinamik tarafından kolayca yakalanamayan bu tür bir davranıştır.
Almanya’daki Dresden Teknoloji Üniversitesi’nden N Narinder ve Elisabeth Fischer-Friedrich, canlı sistemlerdeki dengesizliğin, cansız bir sistemdeki dengesizlik durumundan nasıl farklı olduğuna dair ayrıntılı bir anlayış elde etmek istedi. Bunu, 1950’lerde Henrietta Lacks adlı Afrikalı Amerikalı bir kadından rızası olmadan alınan, bilimsel araştırmalarda yaygın olarak kullanılan bir dizi kanser hücresi olan HeLa insan hücreleriyle yaptılar.
İlk olarak, araştırmacılar hücre bölünmesinin ortasında hücreleri durdurmak için kimyasallar kullandılar, daha sonra sadece bir nanometre genişliğindeki nesnelerle hassas bir şekilde etkileşime girebilen bir atomik kuvvet mikroskobunun ucuyla dış zarlarını incelediler. Bu, her bir hücrenin zarının nasıl dalgalandığını (mikroskobun ucunun ne kadar sallandığını) ve araştırmacılar bazı moleküllerin şekil değiştirmesini veya belirli proteinlerin hareketini kesintiye uğratmak gibi hücrenin bazı süreçlerine müdahale ettiğinde bu dalgalanmaların nasıl değiştiğini değerlendirmeyi kolaylaştırdı.
Bu dalgalanmalar için, cansız bir sistemin davranışını açıklayan standart bir termodinamik “reçetenin” artık tam olarak doğru olmadığını keşfettiler. Özellikle “etkili sıcaklık” fikrinin kesin olmadığı ortaya çıktı. Bu, bir su kabı gibi bir sistemi ısıtarak dengesini bozduğumuzda sıcaklığın nasıl arttığına dair anlayışımıza benzer bir şeyi yakalamayı amaçlayan bir fikirdir.
Ancak araştırmacılar, yaşamın dengesizliğinin derecesini yakalamak için daha kullanışlı bir niceliğin, “zamanın tersine çevrilmesi asimetrisi” adı verilen bir özellik olduğu sonucuna vardı. Bu, belirli bir biyolojik sürecin (örneğin moleküllerin tekrar bölünmeden önce daha büyük moleküllere tekrar tekrar bağlanması) zamanda ileri yerine geriye doğru gitmesi durumunda ne ölçüde farklılaşacağını araştırıyor. Fischer-Friedrich, zamanın tersine çevrilmesi asimetrisinin varlığının, biyolojik süreçlerin hayatta kalma ve çoğalma gibi bir amaca hizmet etmesiyle doğrudan ilişkili olabileceğini söylüyor.
Hollanda’daki Vrije Universiteit Amsterdam’dan Chase Broedersz, “Biyolojide aslında bir sistemin denge dışı olmasına dayanan pek çok süreç olduğunu biliyoruz, ancak aslında bir sistemin ne kadar denge dışı olduğunu bilmek önemlidir” diyor. Yeni çalışmanın bunu tespit etmek için değerli yeni araçlar tanımladığını söylüyor.
İsrail’deki Tel Aviv Üniversitesi’nden Yair Shokef, bunun aktif biyolojik sistemlere ilişkin anlayışımızı geliştirmeye yönelik önemli bir adım olduğunu söylüyor. Ekibin yalnızca zamanın tersine çevrilmesi asimetrisini değil aynı zamanda denge dışılığın diğer birkaç ölçümünü de deneysel olarak ölçebilmesinin hem yeni hem de yararlı olduğunu söylüyor.
Ancak yaşamı termodinamik ilkeler üzerinden anlamak istiyorsak daha birçok adım atmamız gerekebilir. Fischer-Friedrich, ekibin sonuçta termodinamiğin dördüncü yasasına benzer bir şey elde etmek istediğini ve bunun yalnızca süreçlerin belirli bir noktaya sahip olduğu canlı maddelere uygulanabileceğini söylüyor. Böyle bir yasanın türetilmesinin başlayabileceği fizyolojik gözlemlenebilirleri (hücrelerde ölçülecek belirli şeyleri) belirlemek için zaten çalışıyorlar.
