Хипотетичното същество, описано в мисловен експеримент отпреди 155 години, за което тогава се е смятало, че нарушава законите на термодинамиката, всъщност се е развило преди милиарди години под формата на протеини, използвани от почти всеки жив организъм.

През 1867 г. физикът Джеймс Клерк Максуел обмисля възможни изключения от втория закон на термодинамиката, според който нещата винаги трябва да преминават от горещо към студено, освен ако няма някакъв енергиен източник, който да противодейства на тази тенденция. Той си представил безтегловна врата между две кутии с газ, управлявана от малък демон. Ако демонът позволява на по-бързите частици да се движат само в едната камера, а на по-бавните - в другата, едната кутия ще се нагорещи, а другата ще изстине. Това би означавало, че може да се създаде енергия от нищото, като се използва разликата в температурите на кутиите, което нарушава втория закон.

Този очевиден парадокс е разрешен едва през XX век, когато теоретици на информацията като Ролф Ландауер осъзнават, че демонът би трябвало да измерва информация за всяка частица газ, да я съхранява в паметта си и да изтрива паметта си за повече измервания. Това би изисквало повече енергия, отколкото демонът би могъл да създаде, поддържайки кутиите при различни температури.

Илюстрация на демона на Максуел. Кредит: Flatt et al., Communications Physics, 2023

В природата има много "неравновесни системи", подобни на горещите и студените кутии, като например различните концентрации на различни молекули във и извън живите клетки. Физиците отдавна подозират, че при тях може да има нещо подобно на демона на Максуел - но не могат да го докажат математически.

Сега Паоло Де Лос Риос (Paolo De Los Rios) от Швейцарския федерален технологичен институт в Лозана и колегите му показват, че ABC транспортерите - малки протеини, които могат да пренасят молекули през клетъчната мембрана - действат точно като демоните, предложени в оригиналния парадокс на Максуел.

"Природата е разбрала правилата още преди милиарди години", отбелязва Де Лос Риос. "ABC транспортерите присъстват във всички бактерии. Те са много, много древни. Те водят началото си от последния универсален общ прародител на целия живот на Земята".

Де Лос Риос и екипът му първо записват прости уравнения, описващи как ABC транспортерите поддържат различни концентрации на молекули вътре и извън клетката. Те вземат под внимание прости факти за начина им на работа - например използването на АТФ, молекулярен източник на енергия, за пренасяне на молекули през мембраната, както и различните форми, които могат да приемат транспортерите, когато са насочени навътре или навън от клетката.

ABC транспортери, действащи като демони на Максуел. Кредит: Flatt et al., Communications Physics, 2023

За да изиграе ролята на демон на Максуел, без да нарушава законите на термодинамиката, Ландауер изразява предположението, че едно тяло трябва да консумира енергия, да прави записани измервания и да управлява вратата въз основа на тези измервания. Де Лос Риос и колегите му откриват, че решението на техните уравнения има три части, които съответстват на тези три условия.

"Когато се опитате да разберете какво означават тези различни термини, всъщност разпознавате градивните елементи на демона на Максуел", изтъква Де Лос Риос.

Има някои опростявания, които те са направили в своя модел, като например предположението, че всеки ABC транспортер използва само една молекула АТФ в даден момент, но Де Лос Риос посочва, че и по-сложните модели би трябвало да работят като демони на Максуел. Той също така уточнява, че като се имат предвид сходните функции и роли, които изпълняват много молекулярни машини, е вероятно демонът на Максуел да е широко разпространен в природата.

"Те правят много конкретни връзки между строгата идея за демона на Максуел, както тя сега се разбира в статистическата физика, и начина, по който работят тези ABC транспортери", заявява Нагуел Фрейтас (Nahuel Freitas) от Университета на Буенос Айрес в Аржентина. "Те надхвърлят нивото на метафората."

Тази връзка също така означава, че АВС транспортерът може да се разглежда като просто изчислително устройство, изпълняващо същата логическа операция " AND", каквато извършват силициевите компютърни чипове, обяснява Фрейтас.

Това е важно откритие, защото ни учи повече за това как клетките могат да регулират средата си и да функционират според нуждите си, като управляват вноса и износа на молекули, подобно на малък демон на вратата на клетката.

Справка: Flatt, S., Busiello, D.M., Zamuner, S. et al. ABC transporters are billion-year-old Maxwell Demons. Commun Phys 6, 205 (2023). https://doi.org/10.1038/s42005-023-01320-y 

Източник: Maxwell's demon imagined by physicists really exists inside our cells, New Scientist

Още по темата

17/08/2023

Животът

Неразгаданата загадка за произхода на живота: Нова стратегия

10/08/2023

Физика

Частица "демон" е открита в свръхпроводниците и може да обясни как работят

02/05/2023

Физика

Новооткрита електрическа активност в клетките може да промени биохимията

17/11/2022

Физика

Нещо „неочаквано“ е било наблюдавано по време на експерименти с термоядрен синтез