Основы жизни: демон Максвелла впервые обнаружен внутри живых клеток

В далеком 1867 году физик Джеймс Клерк Максвелл предложил весьма интересный эксперимент, который на первый взгляд казался нарушением второго закона термодинамики. Он представил себе умное существо, которое он назвал «демоном». Этот демон контролировал небольшую дверцу между двумя комнатами, заполненными газом. Когда отдельные молекулы газа приближались к дверце, демон молниеносно открывал и закрывал ее, пропуская только быстрые молекулы в одну комнату и только медленные — в другую. Таким образом, он создавал разницу в температурах и давлении между комнатами, что противоречило второму закону термодинамики.


Этот мысленный эксперимент вызвал множество дискуссий и попыток разрешить парадокс демона Максвелла. Большинство ученых считают, что в реальности не существует устройств, способных нарушить второй закон таким образом.

В результате исследования, проведенного группой ученых из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии, было обнаружено, что на молекулярном уровне существует естественный аналог демона Максвелла. В ходе исследования они изучали белки, известные как транспортеры АТФ-связывающей кассеты (ABC), которые встроены в клеточные мембраны. Эти транспортеры ответственны за активный импорт или экспорт определенных субстратов через мембраны клетки с помощью гидролиза АТФ. Они поддерживают постоянную разность концентраций субстратов по обе стороны мембраны.

В чем заключается сходство ABC-транспортеров с демоном Максвелла? Ответ кроется в их способности сортировать и регулировать поток молекул, аналогично метафоре Максвелла. Как демон Максвелла контролировал открывание и закрывание двери контейнера с газом, так и ABC-транспортеры управляют движением молекул через клеточные мембраны. Однако в отличие от демона Максвелла, ABC-транспортеры не нарушают второй закон термодинамики, так как для своей работы они используют энергию, полученную из АТФ.

Ученые из EPFL разработали математическую модель, которая демонстрирует, что ABC-транспортеры являются точной молекулярной реализацией автономного демона Максвелла. Автономный демон Максвелла — демон, который не нуждается во внешнем управлении, поскольку самостоятельно измеряет и обрабатывает информацию о системе. Информация и результаты моделирования, описанные в исследовании, указывают на то, что различные операции, такие как измерение, обратная связь и сброс, являются характеристиками, которые проистекают из биохимических и структурных свойств ABC-транспортеров. Это создает прямую связь между молекулярным уровнем описания и более высоким уровнем языка информационной теории.

Открытие позволяет лучше понять, как клетки регулируют свою окружающую среду, управляя импортом и экспортом молекул. Исследователи считают, что концепция демона Максвелла может быть применена к более сложным биохимическим системам.

Обнаружение того, что транспортеры ABC, которые существуют уже миллиарды лет и присутствуют во множестве живых организмов, являются своего рода «демонами Максвелла», является фундаментальным открытием. Впервые мы видим, как основные строительные блоки жизни соответствуют концепции, описанной Максвеллом, даже если он сам этого не знал. Это свидетельствует, что принципы термодинамики играют ключевую роль в биологических процессах и регуляции жизни.


— Паоло Де Лос Риос, руководитель лаборатории статистической биофизики EPFL.

Ранее ученые предполагали, что энергоемкие процессы транспорта молекул против естественного градиентного потока концентрации могут быть связаны с чем-то наподобие демонов Максвелла. Однако впервые информационная структура такой системы была описана и смоделирована, отсылая к известному мысленному эксперименту Максвелла.

Исследователи считают, что транспортеры ABC на клеточных мембранах контролируют поток молекул таким же образом, как демоны Максвелла, используя энергию молекул АТФ для обеспечения этого процесса. Биохимическая структура транспортеров затем осуществляет измерение, обратную связь и освобождение в зависимости от положения транспортируемой молекулы.

Открытие о роли транспортеров ABC в регуляции транспорта молекул в клетках является важным, поскольку оно расширяет наше понимание о способности клеток контролировать окружающую среду и функционировать в соответствии с их потребностями. Эти транспортеры играют роль подобно маленькому демону у двери клетки, управляя импортом и экспортом молекул.

Хотя исследователи использовали упрощенные модели для своих расчетов, они убеждены, что полученные результаты могут быть применимы к более сложным системам, которые широко распространены в природе. Это открытие поможет нам лучше понять и контролировать процессы, происходящие в клетках, и может иметь потенциальные применения в медицине и других науках.


 — Соланж Флатт, автор исследования.