Расчеты показали, что кишечная палочка воспроизводится практически так быстро, как это ей позволяет второй закон термодинамики.
С какой скоростью размножаются бактерии?

Всё живое и неживое обязано подчиняться законам физики — в том числе второму началу термодинамики, гласящему, что энтропия изолированной системы не может уменьшаться. На первый взгляд, высокоорганизованные многоклеточные организмы существуют вопреки этому закону «неубывания беспорядка», но на самом деле тепло, выделяемое ими, увеличивает энтропию вселенной, и второй закон термодинамики не нарушается. Тем не менее в этой области остается множество вопросов. Сколько тепла должна выделять клетка во внешнее пространство, чтобы компенсировать свою внутреннюю упорядоченность с точки зрения термодинамики? Как близко подходят клетки к пределу, установленному вторым законом термодинамики?

Джереми Ингланд (Jeremy England), физик из MIT, смоделировал процесс размножения кишечной палочки (E.coli). Приняв в расчет устройство бактериальной клетки, особенности воспроизводства и скорость роста, ученый рассчитал минимальное количество тепла, которое E. coli должна выделять в окружающее пространство, чтобы не нарушать второй закон термодинамики. Фактическое значение теплоотдачи оказалось примерно того же порядка, что и теоретическое: бактерия «обогревала» окружающую среду всего в шесть раз сильнее, чем ей велит термодинамика. Для биологической системы это довольно высокая эффективность.

Ингланд использовал метод статистический механики (расчет вероятности различных вариантов взаимного расположения атомов и молекул), чтобы смоделировать 20-минутный процесс размножения E. coli, в ходе которого бактерия потребляет много пищи, преобразует её в энергию, перестраивает и упорядочивает свои молекулы (в том числе белки и ДНК), а в конечном итоге делится на две клетки.

Чтобы исследовать термодинамику этого процесса, Ингланд решил смоделировать обратную ситуацию, когда две клетки сливаются в одну. Это событие настолько маловероятно, что в природе, скорее всего, так никогда и не случится. Численно эту вероятность можно оценить, рассчитав вероятности обращения вспять всех химических реакций, необходимых для деления бактериальной клетки. Наиболее распространенная из таких реакций — образование пептидных связей. Вероятность того, что эта реакция самопроизвольно пойдет в обратном направлении, настолько мала, что в некоторой абстрактной «вечной» клетке это событие будет происходить лишь раз в 600 лет. А спонтанного разрыва всех 1,6 млрд пептидных связей, присутствующих в бактериальной клетке, пришлось бы ждать намного дольше. Рассчитав энергию, необходимую для разрушения этих связей, и время, за которое этот процесс мог бы пройти самопроизвольно, Ингланд оценил теоретические параметры и обратного процесса — деления клетки с образованием полного набора пептидных связей.

Оказалось, что расчетная величина составляет чуть больше одной шестой от того количества теплоты, которое бактерия выделяет в окружающее пространство в единицу времени. Теоретически бактерии могли бы размножаться и быстрее, но Ингланд считает, что они вряд ли будут эволюционировать, увеличивая эффективность воспроизводства, — у бактерий есть множество других «внутриклеточных задач». А вот для специалистов в области синтетической биологии расчеты Ингланда могут оказаться весьма интересными: они демонстрируют возможность создания микроорганизмов, которые делятся быстрее своих немодифицированных собратьев.

Ингланд считает, что его работа также косвенно указывает на причины, по которым именно ДНК, а не РНК эволюционировала в качестве носителя генетической информации: связи в ДНК более прочные и менее подвержены спонтанному разрушению. С другой стороны, «термодинамический барьер» для организмов, полагающихся на РНК, ниже. Они могут размножаться быстрее, эволюционируя и используя все имеющиеся ресурсы.

По пресс-релизу MIT News