Para ilmuwan di Technische Universität Dresden telah melakukan eksperimen pada sel manusia yang menunjukkan bahwa hukum termodinamika yang ada mungkin tidak sepenuhnya menangkap ketidakseimbangan dalam sistem hidup. Temuan mereka mengarah pada kebutuhan hukum baru yang disesuaikan untuk proses biologis. Studi tersebut menyoroti perbedaan antara sistem hidup dan non-hidup melalui analisis fluktuasi membran.
Hukum termodinamika menyediakan alat untuk mengukur seberapa jauh sistem menyimpang dari keseimbangan, tetapi kurang memadai untuk dinamika rumit sel hidup, menurut studi terbaru. Peneliti N Narinder dan Elisabeth Fischer-Friedrich di Technische Universität Dresden di Jerman mengeksplorasi celah ini menggunakan sel HeLa, garis sel kanker yang diambil tanpa persetujuan dari Henrietta Lacks pada 1950-an.
Dalam eksperimen mereka, tim menghentikan pembelahan sel di tengah jalan dengan bahan kimia dan menggunakan mikroskop gaya atom untuk memprobi membran luar sel. Ini memungkinkan pengukuran presisi fluktuasi membran—seberapa jauh ujung mikroskop bergerak—dan bagaimana ini berubah ketika proses seperti perubahan molekul atau pergerakan protein terganggu. Hasilnya menunjukkan bahwa pendekatan termodinamika standar, termasuk konsep 'suhu efektif', tidak menggambarkan perilaku ini secara akurat pada sel hidup, tidak seperti pada sistem non-hidup.
Sebaliknya, para peneliti mengidentifikasi 'asimetris pembalikan waktu' sebagai ukuran ketidakseimbangan yang lebih efektif. Sifat ini menilai seberapa berbeda proses biologis, seperti molekul yang terus-menerus terhubung dan terpisah, jika dibalik dalam waktu. 'Kehadiran asimetris pembalikan waktu mungkin langsung terkait dengan fakta bahwa proses biologis melayani tujuan seperti kelangsungan hidup dan proliferasi,' kata Fischer-Friedrich.
Para ahli menyambut baik pekerjaan ini. 'Kita tahu dalam biologi bahwa ada banyak proses yang benar-benar bergantung pada sistem yang tidak seimbang, tapi penting untuk mengetahui seberapa jauh sistem itu dari keseimbangan,' kata Chase Broedersz di Vrije Universiteit Amsterdam di Belanda. Yair Shokef di Tel Aviv University di Israel menyebutnya langkah penting untuk memahami sistem biologis aktif, mencatat kebaruan mengukur beberapa indikator non-keseimbangan secara bersamaan.
Tim Fischer-Friedrich bertujuan untuk menyimpulkan hukum keempat termodinamika yang hanya berlaku untuk materi hidup, yang memiliki 'titik setel' internal seperti termostat biologis. Mereka sekarang mencari observasi fisiologis pada sel untuk mendukung pengembangan ini. Studi tersebut muncul di Physical Review X.