Des scientifiques de l'Université technique de Dresde ont mené des expériences sur des cellules humaines indiquant que les lois thermodynamiques existantes ne capturent pas pleinement le déséquilibre dans les systèmes vivants. Leurs résultats pointent vers la nécessité d'une nouvelle loi adaptée aux processus biologiques. L'étude met en évidence les différences entre systèmes vivants et non vivants via l'analyse des fluctuations de membrane.
Les lois de la thermodynamique fournissent des outils pour mesurer l'écart des systèmes par rapport à l'équilibre, mais elles sont insuffisantes pour les dynamiques complexes des cellules vivantes, selon une étude récente. Les chercheurs N Narinder et Elisabeth Fischer-Friedrich, de l'Université technique de Dresde en Allemagne, ont exploré cette lacune en utilisant des cellules HeLa, une lignée de cellules cancéreuses dérivées sans consentement de Henrietta Lacks dans les années 1950.
Dans leurs expériences, l'équipe a stoppé la division cellulaire en cours avec des produits chimiques et a utilisé un microscope à force atomique pour sonder les membranes externes des cellules. Cela a permis une mesure précise des fluctuations de la membrane — l'ampleur du mouvement de la pointe du microscope — et leur variation lorsque des processus comme la morphing de molécules ou le mouvement de protéines étaient perturbés. Les résultats ont montré qu'une approche thermodynamique standard, incluant le concept de 'température effective', ne décrivait pas précisément ces comportements dans les cellules vivantes, contrairement aux systèmes non vivants.
Au lieu de cela, les chercheurs ont identifié l''asymétrie de renversement temporel' comme une mesure plus efficace du déséquilibre. Cette propriété évalue dans quelle mesure un processus biologique, comme des molécules se connectant et se séparant de manière répétée, différerait s'il était inversé dans le temps. 'La présence d'asymétrie de renversement temporel pourrait être directement liée au fait que les processus biologiques servent un but tel que la survie et la prolifération', déclare Fischer-Friedrich.
Les experts ont accueilli favorablement ce travail. 'Nous savons en biologie qu'il y a beaucoup de processus qui reposent vraiment sur un système hors équilibre, mais il est important de savoir dans quelle mesure un système est hors équilibre', dit Chase Broedersz de la Vrije Universiteit Amsterdam aux Pays-Bas. Yair Shokef de l'Université de Tel Aviv en Israël l'a qualifié d'étape importante pour comprendre les systèmes biologiques actifs, notant la nouveauté de mesurer simultanément plusieurs indicateurs de non-équilibre.
L'équipe de Fischer-Friedrich vise à dériver une quatrième loi de la thermodynamique applicable uniquement à la matière vivante, qui présente des 'points de consigne' internes comme des thermostats biologiques. Ils recherchent désormais des observables physiologiques dans les cellules pour soutenir ce développement. L'étude paraît dans Physical Review X.