ドレスデン工科大学の科学者らがヒト細胞を用いた実験を行い、既存の熱力学法則が生体システムの非平衡状態を完全に捉えていない可能性を示した。彼らの発見は、生物学的プロセスに特化した新たな法則の必要性を示唆している。この研究は、膜の変動解析を通じて生体と非生体システムの違いを強調している。
熱力学の法則は、システムが平衡からどれだけ逸脱しているかを測定するツールを提供するが、生きた細胞の複雑なダイナミクスには不十分であると、最近の研究が指摘する。ドイツのドレスデン工科大学の研究者N NarinderとElisabeth Fischer-Friedrichは、HeLa細胞を用いてこのギャップを探求した。HeLa細胞は1950年代にHenrietta Lacksから同意なしに採取されたがん細胞株である。
彼らの実験では、チームは化学物質で細胞分裂を途中で停止させ、原子間力顕微鏡を使って細胞の外膜をプローブした。これにより、膜の変動—顕微鏡の先端の移動量—を精密に測定し、分子の形状変化やタンパク質の移動などのプロセスを妨げた場合にそれらがどのように変化するかを調べた。結果は、標準的な熱力学アプローチ（「有効温度」の概念を含む）が、生きた細胞でのこれらの挙動を正確に記述しないことを示し、非生体システムとは異なっていた。
代わりに、研究者らは「時間反転非対称性」を非平衡のより効果的な指標として特定した。この特性は、分子が繰り返し結合・分離するような生物学的プロセスが時間反転した場合にどれだけ異なるかを評価する。「時間反転非対称性の存在は、生物学的プロセスが生存や増殖のような目的を果たすという事実と直接関連している可能性がある」とFischer-Friedrichは述べる。
専門家らはこの業績を歓迎した。「生物学では、システムが非平衡であることに大きく依存するプロセスがたくさんあるが、システムがどれだけ非平衡かを知ることは重要だ」と、オランダのVrije Universiteit AmsterdamのChase Broederszは言う。イスラエルのTel Aviv UniversityのYair Shokefは、活性生物システムの理解に向けた重要なステップであり、複数の非平衡指標を同時に測定する新規性を指摘した。
Fischer-Friedrichのチームは、生体物質にのみ適用される熱力学の第4法則を導出することを目指しており、これは生物学的サーモスタットのような内部「セットポイント」を特徴とする。現在、細胞内の生理学的観測量を探してこの開発を支えている。研究はPhysical Review Xに掲載される。