1764123147
2025-11-25 19:11:00
染色体が分離した終期の HeLa 細胞
マシュー・ダニエルズ博士/サイエンス・フォト・ライブラリー
熱やエントロピーなどの量を含む熱力学の物理学は、理想的な粒子系が平衡からどの程度離れているかを判断するための確立されたツールを提供します。しかし、複雑に相互接続された細胞を持つ生命となると、現在の一連の熱力学法則が十分であるかどうかは明らかではありません。人間の細胞を使った一連の実験は、新しい法則を生み出すための第一歩となるかもしれません。
平衡状態から外れることは生物の重要な特性の 1 つであるため、熱力学は生物にとって重要です。しかし、細胞はエネルギーを積極的に消費する分子で満たされているため、細胞の状態は、たとえば液体中に浮遊するビーズの束とは異なります。たとえば、生体細胞には設定点と呼ばれるものがあり、内部のサーモスタットに従っているかのように動作することを意味します。設定値に戻すフィードバック メカニズムがあり、機能を維持できます。この種の挙動は、古典的な熱力学では簡単に捉えることができないかもしれません。
ドイツのドレスデン工科大学の N ナリンダーとエリザベート フィッシャー フリードリッヒは、生命システムの不均衡が非生命システムの不平衡状態とどのように異なるかを詳細に理解したいと考えていました。彼らは、HeLaヒト細胞を用いて実験を行った。HeLaヒト細胞は、1950年代にヘンリエッタ・ラックスというアフリカ系アメリカ人女性から同意なしに採取された、科学研究で一般的に使用される癌細胞の系統である。
まず、研究者らは化学物質を使用して細胞分裂の途中で細胞を停止させ、次に原子間力顕微鏡の先端で細胞の外膜を調べた。原子間力顕微鏡は幅わずか数ナノメートルの物体と正確に相互作用することができる。これにより、各細胞の膜がどのように変動するか、つまり顕微鏡の先端がどれだけ揺れたか、そして研究者が一部の分子の形態形成や特定のタンパク質の動きを中断するなど、細胞のプロセスの一部に干渉したときにそれらの変動がどのように変化したかを評価することが容易になりました。
彼らは、これらの変動に対して、非生物系の挙動を説明する 1 つの標準的な熱力学「レシピ」が完全には正確ではなくなったことを発見しました。具体的には、「実効温度」という考えが不正確であることが判明しました。これは、水の入った鍋のようなシステムを加熱して平衡状態から外すと、温度がどのように上昇するかという私たちの理解に似たものを捉えることを目的としたアイデアです。
しかし研究者らは、生命の不均衡の度合いを捉えるためにより有用な量は「時間反転の非対称性」と呼ばれる性質であると結論付けた。これは、特定の生物学的プロセス（たとえば、分子が繰り返し接続してより大きな分子になり、その後再び分裂する）が、時間的に順方向ではなく逆方向に実行された場合にどの程度異なるかを調査します。時間反転の非対称性の存在は、生物学的プロセスが生存や増殖などの目的を果たすという事実に直接関係している可能性がある、とフィッシャー・フリードリッヒ氏は言う。
「生物学では、システムが平衡から外れていることに実際に依存するプロセスがたくさんあることを私たちは知っています。しかし実際には、システムがどの程度平衡から外れているかを知ることが重要です」とオランダのアムステルダム自由大学のチェイス・ブローダーズ氏は言う。新しい研究は、それを突き止めるための貴重な新しいツールを特定した、と彼は言う。
イスラエルのテルアビブ大学のヤイール・ショケフ氏は、これは活動的な生物学的システムの理解を向上させるための重要な一歩であると述べています。同氏は、チームが時間反転の非対称性だけでなく、非平衡の他のいくつかの尺度を一度に実験的に測定できたという事実は、新規かつ有用であると述べている。
しかし、熱力学原理を通して生命を理解したい場合は、さらに多くのステップを踏む必要があるかもしれません。フィッシャーフリードリッヒ氏は、チームは最終的に、プロセスが設定点を持つ生物にのみ適用できる熱力学の第四法則に似たものを導き出したいと述べている。彼らはすでに、生理学的に観察できるもの、つまり細胞内で測定すべき特定のものの特定に取り組んでおり、そこからそのような法則を導き出すことができるだろう。
トピック:
#生命システムには熱力学の第 #法則が必要かもしれない