Natuurkundige leidt wetten van thermodynamica af voor het leven zelf

Hier is een interessant gedachte-experiment. Stel je een doos voor die gevuld is met een verscheidenheid aan atomen en moleculen in verhoudingen die ongeveer gelijk zijn aan de samenstelling van de prebiotische soep waarin het leven gedijt.

Hoe groot is de kans dat deze moleculen zich rangschikken tot een volwaardig levend wezen, bijvoorbeeld een bacterie? Dat is een moeilijke vraag, maar Jeremy England van het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge heeft bedacht hoe een antwoord te berekenen, althans in theorie. Zijn resultaten zorgen voor boeiende lectuur.

Een deel van het probleem hier is dat het leven zelf moeilijk te definiëren is. Maar Engeland heeft hier een oplossing voor. Zijn idee is om elke mogelijke combinatie van toestanden in deze box te onderzoeken en een alwetende microbioloog te raadplegen over de vraag of elke toestand een bacterie vertegenwoordigt of niet. Op die manier zou het in ieder geval in principe mogelijk moeten zijn om een ​​idee te krijgen van de statistische fysica die daarbij komt kijken.

Vervolgens vraagt ​​hij de microbioloog om nog een keer naar de doos te kijken na een periode die ongeveer gelijk is aan de tijd die bacteriën nodig hebben om zich te delen.

De vraag is dan hoe groot de kans is dat er twee bacteriën in de doos zitten.

Nogmaals, de alwetende microbioloog zou naar elke mogelijke staat van de doos kunnen kijken en zeggen of zelfreplicatie heeft plaatsgevonden. Als de doos twee bacteriën bevat, is het mogelijk om te berekenen hoeveel entropie daarbij is gecreëerd en hoeveel warmte er is gebruikt.

Engeland voegt enkele basiswetten van de thermodynamica toe en bouwt op deze manier een statistisch natuurkundig model van zelfreplicatie op, een model dat analoog is aan de wetten die het statistische gedrag van elke verzameling deeltjes in een doos bepalen.

Ter vergelijking kijkt hij ook naar de statistieken die het omgekeerde proces bepalen: de spontane ontbinding van de bacteriën in koolstofdioxide, waterstof enzovoort.

Dit stelt een belangrijke grens aan wat thermodynamisch mogelijk is in dit systeem: in feite leidt Engeland de tweede wet van de thermodynamica af voor het systeem. Hieruit werkt hij verschillende ‘wetten’ uit, zoals de minimale hoeveelheid warmte die een enkele ronde celdeling zou moeten produceren.

Ten slotte voegt hij enkele cijfers in zijn model toe, waaronder cijfers zoals de levensduur van peptidebindingen in biologische systemen, om erachter te komen hoeveel warmte complexe systemen zoals E. coli-bacteriën zouden moeten produceren wanneer ze zich vermenigvuldigen.

Het blijkt dat E. coli-bacteriën opmerkelijk efficiënte replicators zijn. Het organisme kan chemische energie zo efficiënt omzetten in een nieuwe kopie van zichzelf dat als het zelfs maar half zoveel warmte zou produceren, het de grenzen zou verleggen van wat thermodynamisch mogelijk is! hij zegt.

Een vergelijkbare berekening doet hij voor de replicatie van RNA- en DNA-moleculen. Dit suggereert dat replicatie in termen van thermodynamica veel gemakkelijker is voor RNA dan voor DNA.

Dat is een interessant resultaat, aangezien veel biologen hebben gesuggereerd dat de eerste zelfreplicerende systemen in de prebiotische soep van de aarde gebaseerd moeten zijn op RNA in plaats van op DNA

In het verleden hebben biologen de katalytische eigenschappen van RNA bestudeerd die cruciaal zijn voor levende cellen en hebben vastgesteld dat DNA deze eigenschappen niet deelt. Dus de gedachte is dat RNA op de eerste plaats moet komen in de replicerende tijdlijn, waarbij DNA zich later ontwikkelde naarmate het leven complexer werd.

Het werk van Engeland ondersteunt dit idee, maar om totaal andere redenen: RNA is thermodynamisch beter in zelfreplicatie. Een fascinerend resultaat.

Het werk heeft echter een belangrijke beperking. Het slaagt er niet in om de definitie van de aard van het leven aan te pakken en in plaats daarvan het probleem uit te stellen aan een alwetende microbioloog die, zo wordt aangenomen, altijd een antwoord kan geven.

Er is een verleidelijke hint dat de aanpak van Engeland op een dag dit probleem zou kunnen oplossen. Door de rol van statistische fysica in meer detail te onderzoeken, is het misschien mogelijk om het leven te definiëren in termen van precieze thermodynamische limieten.

Daarom is het de moeite waard om te kijken waar Engeland zijn idee vervolgens naartoe brengt.

Referentie: arxiv.org/abs/1209.1179 : Statistische fysica van zelfreplicatie

zich verstoppen