З якою швидкістю розмножуються бактерії?

Все живе і неживе мав би підпорядковуватися законам фізики - в тому числі до другого початку термодинаміки, що свідчить, що ентропія ізольованої системи не може зменшуватися. На перший погляд, високоорганізовані багатоклітинні організми існують всупереч цим законом «неубиванія безладу», але насправді тепло, що виділяється ними, збільшує ентропію всесвіту, і другий закон термодинаміки не порушується. Проте в цій області залишається безліч питань. Скільки тепла повинна виділяти клітина в зовнішній простір, щоб компенсувати свою внутрішню впорядкованість з точки зору термодинаміки? Як близько підходять клітини до межі, встановленій другим законом термодинаміки?

Джеремі Інгланд (Jeremy England), фізик з MIT, змоделював процес розмноження кишкової палички (E.coli). Прийнявши до уваги пристрій бактеріальної клітини, особливості відтворення і швидкість росту, вчений розрахував мінімальну кількість тепла, яке E. coli повинна виділяти в навколишній простір, щоб не порушувати другий закон термодинаміки. Фактичне значення тепловіддачі виявилося приблизно того ж порядку, що і теоретичне: бактерія «обігрівала» навколишнє середовище всього в шість разів сильніше, ніж їй велить термодинаміка. Для біологічної системи це досить висока ефективність.

Інгланд використовував метод статистичний механіки (розрахунок ймовірності різних варіантів взаємного розташування атомів і молекул), щоб змоделювати 20-хвилинний процес розмноження E. coli, в ході якого бактерія споживає багато їжі, перетворює її в енергію, перебудовує і впорядковує свої молекули (в тому числі білки і ДНК), а в кінцевому підсумку ділиться на дві клітини.

Щоб дослідити термодинаміку цього процесу, Інгланд вирішив змоделювати зворотну ситуацію, коли дві клітини зливаються в одну. Ця подія настільки малоймовірна, що в природі, швидше за все, так ніколи і не станеться. Чисельно цю ймовірність можна оцінити, розрахувавши ймовірності звернення назад всіх хімічних реакцій, необхідних для поділу бактеріальної клітини. Найбільш поширена з таких реакцій - утворення пептидних зв'язків. Імовірність того, що ця реакція мимовільно піде в зворотному напрямку, настільки мала, що в деякій абстрактній «вічної» клітці ця подія буде відбуватися лише раз в 600 років. А спонтанного розриву всіх 1, 6 млрд пептидних зв'язків, присутніх в бактеріальної клітці, довелося б чекати набагато довше. Розрахувавши енергію, необхідну для руйнування цих зв'язків, і час, протягом якого цей процес міг би пройти мимовільно, Інгланд оцінив теоретичні параметри і зворотного процесу - ділення клітини з утворенням повного набору пептидних зв'язків.

Виявилося, що розрахункова величина становить трохи більше однієї шостої від тієї кількості теплоти, яке бактерія виділяє в навколишній простір в одиницю часу. Теоретично бактерії могли б розмножуватися і швидше, але Інгланд вважає, що вони навряд чи будуть еволюціонувати, збільшуючи ефективність відтворення, - у бактерій є безліч інших «внутрішньоклітинних завдань». А ось для фахівців в області синтетичної біології розрахунки Інгланд можуть виявитися вельми цікавими: вони демонструють можливість створення мікроорганізмів, які діляться швидше своїх немодифікованих побратимів.

Інгланд вважає, що його робота також побічно вказує на причини, за якими саме ДНК, а не РНК еволюціонувала в якості носія генетичної інформації: зв'язку в ДНК більш міцні і менш схильні до спонтанного руйнування. З іншого боку, «термодинамічний бар'єр» для організмів, покладаються на РНК, нижче. Вони можуть розмножуватися швидше, еволюціонуючи і використовуючи всі наявні ресурси.

За прес-релізом MIT News

Рекомендуємо

Квантова сутра: Фізики і клірики
2019
Як роблять бойових роботів
2019
«Папу Римського» посадили в УАЗ
2019