Att avslöja de vetenskapliga lagar som styr vår värld anses ofta vara den "heliga gralen" av forskare, eftersom sådana upptäckter har omfattande konsekvenser. I en spännande utveckling från Japan har forskare visat hur man använder geometriska representationer för att koda termodynamikens lagar och tillämpar dessa representationer för att få generaliserade förutsägelser. Detta arbete kan avsevärt förbättra vår förståelse för de teoretiska gränser som gäller inom kemi och biologi.

Medan levande system är bundna av fysikens lagar, hittar de ofta kreativa sätt att dra fördel av dessa regler på sätt som icke-levande fysiska system sällan kan. Till exempel hittar varje levande organism ett sätt att reproducera sig själv. På en grundläggande nivå är detta beroende av autokatalytiska cykler där en viss molekyl kan stimulera produktionen av identiska molekyler, eller en uppsättning molekyler producerar varandra. Som en del av detta växer utrymmet där molekylerna finns i volym. Vetenskaplig kunskap saknar dock en fullständig termodynamisk representation av sådana självreplikerande processer, vilket skulle göra det möjligt för forskare att förstå hur levande system kan uppstå från icke-levande objekt.

Nu, i två relaterade artiklar publicerade i Physical Review Research , använde forskare från Institute of Industrial Science vid University of Tokyo en geometrisk teknik för att karakterisera de förhållanden som motsvarar tillväxten av ett självreproducerande system. Den vägledande principen är termodynamikens berömda andra lag, som kräver att entropi – i allmänhet förstås som oordning – bara kan öka. En ökning av ordningen kan dock vara möjlig, som att en bakterie tar upp näringsämnen för att den ska kunna dela sig i två bakterier, men till priset av ökad entropi någon annanstans. "Självreplikering är ett kännetecken för levande system, och vår teori hjälper till att förklara miljöförhållandena för att avgöra deras öde, oavsett om de växer, krymper eller balanserar", säger seniorförfattaren Tetsuya J. Kobayashi.

Huvudinsikten var att representera de termodynamiska relationerna som hyperytor i ett flerdimensionellt rum. Sedan kan forskarna studera vad som händer när olika operationer utförs, i det här fallet med Legendre-transformationen. Denna transformation beskriver hur en yta ska mappas till ett annat geometriskt objekt med en betydande termodynamisk betydelse.

"Resultaten erhölls enbart på grundval av termodynamikens andra lag att den totala entropin måste öka. På grund av detta krävdes inte antaganden om en idealgas eller andra förenklingar om typerna av interaktioner i systemet", säger första författaren Yuki Sughiyama. Att kunna beräkna graden av entropiproduktion kan vara avgörande för att utvärdera biofysiska system. Denna forskning kan hjälpa till att sätta studiet av termodynamiken i levande system på en mer solid teoretisk grund, vilket kan förbättra vår förståelse av biologisk reproduktion.

Artiklarna publiceras i Physical Review Research som "Hessisk geometrisk struktur för kemiska termodynamiska system med stökiometriska begränsningar" och "Kemisk termodynamik för växande system." + Utforska vidare

Åldrande, entropi och avfall:Spola ut skadade celler