Científicos de la Universidad Técnica de Dresde han realizado experimentos con células humanas que indican que las leyes termodinámicas existentes podrían no capturar completamente el desequilibrio en los sistemas vivos. Sus hallazgos apuntan a la necesidad de una nueva ley adaptada a los procesos biológicos. El estudio destaca las diferencias entre sistemas vivos y no vivos mediante el análisis de fluctuaciones de membrana.
Las leyes de la termodinámica proporcionan herramientas para medir qué tan lejos están los sistemas del equilibrio, pero se quedan cortas para las dinámicas intrincadas de las células vivas, según un estudio reciente. Los investigadores N Narinder y Elisabeth Fischer-Friedrich de la Universidad Técnica de Dresde en Alemania exploraron esta brecha utilizando células HeLa, una línea de células cancerosas derivadas sin consentimiento de Henrietta Lacks en la década de 1950.
En sus experimentos, el equipo detuvo la división celular a mitad de camino con productos químicos y utilizó un microscopio de fuerza atómica para sondear las membranas externas de las células. Esto permitió medir con precisión las fluctuaciones en la membrana —cuánto se movía la punta del microscopio— y cómo cambiaban estas cuando se interrumpían procesos como la transformación de moléculas o el movimiento de proteínas. Los resultados mostraron que un enfoque termodinámico estándar, que incluye el concepto de 'temperatura efectiva', no describía con precisión estos comportamientos en células vivas, a diferencia de los sistemas no vivos.
En cambio, los investigadores identificaron la 'asimetría de inversión temporal' como una medida más efectiva del desequilibrio. Esta propiedad evalúa cuánto diferiría un proceso biológico, como moléculas que se conectan y separan repetidamente, si se invirtiera en el tiempo. 'La presencia de asimetría de inversión temporal podría estar directamente relacionada con el hecho de que los procesos biológicos cumplen un propósito como la supervivencia y la proliferación', dice Fischer-Friedrich.
Los expertos han dado la bienvenida al trabajo. 'Sabemos en biología que hay muchos procesos que realmente dependen de que un sistema esté fuera del equilibrio, pero en realidad es importante saber qué tan lejos está un sistema del equilibrio', dice Chase Broedersz de la Vrije Universiteit Amsterdam en los Países Bajos. Yair Shokef de la Universidad de Tel Aviv en Israel lo calificó como un paso importante para entender los sistemas biológicos activos, destacando la novedad de medir simultáneamente múltiples indicadores de no equilibrio.
El equipo de Fischer-Friedrich busca derivar una cuarta ley de la termodinámica aplicable solo a la materia viva, que presenta 'puntos de ajuste' internos como termostatos biológicos. Ahora están buscando observables fisiológicos en las células para respaldar este desarrollo. El estudio aparece en Physical Review X.