Il fisico deriva le leggi della termodinamica per la vita stessa

Ecco un interessante esperimento mentale. Immagina una scatola piena di una varietà di atomi e molecole in proporzioni approssimativamente equivalenti alla composizione del brodo prebiotico in cui prospera la vita.

Quanto è probabile che queste molecole si dispongano in esseri viventi a tutti gli effetti, ad esempio un batterio? È una domanda difficile, ma Jeremy England del Massachusetts Institute of Technology di Cambridge ha scoperto come calcolare una risposta, almeno in teoria. I suoi risultati sono una lettura affascinante.

Parte del problema qui è che la vita stessa è difficile da definire. Ma l'Inghilterra ha un modo per aggirare questo. La sua idea è di esaminare ogni combinazione di stati possibili in questa scatola e di consultare un microbiologo onnisciente per sapere se ogni stato rappresenta un batterio o meno. In tal modo dovrebbe essere possibile, almeno in linea di principio, farsi un'idea della fisica statistica coinvolta.

Successivamente, chiede al microbiologo di dare un'altra occhiata alla scatola dopo un periodo che è approssimativamente equivalente al tempo necessario ai batteri per dividersi.

La domanda quindi è quanto è probabile che ci siano due batteri nella scatola.

Ancora una volta, il microbiologo onnisciente potrebbe esaminare ogni possibile stato della scatola e dire se l'auto replicazione ha avuto luogo o meno. Se la scatola contiene due batteri, è possibile calcolare quanta entropia è stata creata nel processo e quanto calore è stato utilizzato.

L'Inghilterra introduce alcune leggi fondamentali della termodinamica e in questo modo costruisce un modello fisico statistico di auto replicazione, un modello analogo alle leggi che governano il comportamento statistico di qualsiasi insieme di particelle in una scatola.

A titolo di confronto, esamina anche le statistiche che governano il processo inverso: la decomposizione spontanea dei batteri in anidride carbonica, idrogeno e così via.

Questo stabilisce un limite importante su ciò che è termodinamicamente possibile in questo sistema: in effetti, l'Inghilterra deriva la seconda legge della termodinamica per il sistema. Da questo elabora varie 'leggi' come la quantità minima di calore che dovrebbe produrre un singolo ciclo di divisione cellulare.

Infine, inserisce alcuni numeri nel suo modello, comprese cifre come il tempo di vita dei legami peptidici nei sistemi biologici, per scoprire quanto calore i sistemi complessi come i batteri di E. coli dovrebbero produrre quando si replicano.

Si scopre che i batteri di E. coli sono replicatori notevolmente efficienti. L'organismo può convertire l'energia chimica in una nuova copia di se stesso in modo così efficiente che se dovesse produrre anche la metà del calore, spingerebbe i limiti di ciò che è termodinamicamente possibile! lui dice.

Fa un calcolo simile per la replicazione di molecole di RNA e DNA. Ciò suggerisce che in termini di termodinamica, la replicazione è molto più facile per l'RNA che per il DNA.

Questo è un risultato interessante dato che molti biologi hanno suggerito che i primi sistemi autoreplicanti nel brodo prebiotico della Terra dovessero essere basati sull'RNA piuttosto che sul DNA

In passato, i biologi hanno studiato le proprietà catalitiche dell'RNA che sono cruciali per le cellule viventi e hanno notato che il DNA non condivide queste proprietà. Quindi il pensiero è che l'RNA deve essere arrivato prima nella linea temporale della replicazione, con il DNA che si è evoluto in seguito quando la vita è diventata più complessa.

Il lavoro dell'Inghilterra conferma questa idea, ma per ragioni completamente diverse: l'RNA è termodinamicamente migliore nell'auto replicazione. Un risultato affascinante.

Il lavoro ha però un limite importante. Non affronta la definizione della natura della vita e rinvia invece il problema a un microbiologo onnisciente che, si presume, può sempre fornire una risposta.

C'è un suggerimento allettante che l'approccio dell'Inghilterra potrebbe un giorno risolvere questo problema. Esplorando più in dettaglio il ruolo della fisica statistica, forse è possibile definire la vita in termini di precisi limiti termodinamici.

Ecco perché varrà la pena guardare dove l'Inghilterra prenderà la sua idea in futuro.

Rif: arxiv.org/abs/1209.1179 : Fisica statistica dell'autoreplicazione

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