Rivelare le leggi scientifiche che governano il nostro mondo è spesso considerato il "Santo Graal" dagli scienziati, poiché tali scoperte hanno implicazioni di ampio respiro. In uno sviluppo entusiasmante dal Giappone, gli scienziati hanno mostrato come utilizzare le rappresentazioni geometriche per codificare le leggi della termodinamica e applicare queste rappresentazioni per ottenere previsioni generalizzate. Questo lavoro può migliorare significativamente la nostra comprensione dei limiti teorici che si applicano all'interno della chimica e della biologia.

Sebbene i sistemi viventi siano vincolati dalle leggi della fisica, spesso trovano modi creativi per trarre vantaggio da queste regole in modi che raramente i sistemi fisici non viventi possono fare. Ad esempio, ogni organismo vivente trova un modo per riprodursi. A livello fondamentale, questo si basa su cicli autocatalitici in cui una certa molecola può stimolare la produzione di molecole identiche o un insieme di molecole si producono a vicenda. Come parte di questo, il compartimento in cui esistono le molecole cresce di volume. Tuttavia, la conoscenza scientifica manca di una rappresentazione termodinamica completa di tali processi autoreplicanti, che consentirebbe agli scienziati di comprendere come i sistemi viventi possono emergere da oggetti non viventi.

Ora, in due articoli correlati pubblicati in Physical Review Research , i ricercatori dell'Istituto di scienze industriali dell'Università di Tokyo hanno utilizzato una tecnica geometrica per caratterizzare le condizioni che corrispondono alla crescita di un sistema auto-riproducente. Il principio guida è la famosa seconda legge della termodinamica, che richiede che l'entropia, generalmente intesa come disordine, possa solo aumentare. Tuttavia, può essere possibile un aumento dell'ordine, come un batterio che assorbe i nutrienti per consentirgli di dividersi in due batteri, ma a costo di una maggiore entropia da qualche altra parte. "L'auto-replicazione è un segno distintivo dei sistemi viventi e la nostra teoria aiuta a spiegare le condizioni ambientali per determinarne il destino, indipendentemente dal fatto che si tratti di crescita, contrazione o equilibrio", afferma l'autore senior Tetsuya J. Kobayashi.

L'intuizione principale era rappresentare le relazioni termodinamiche come ipersuperfici in uno spazio multidimensionale. Quindi, i ricercatori potrebbero studiare cosa succede quando vengono eseguite varie operazioni, in questo caso, utilizzando la trasformazione di Legendre. Questa trasformazione descrive come mappare una superficie in un oggetto geometrico diverso con un significato termodinamico significativo.

"I risultati sono stati ottenuti esclusivamente sulla base della seconda legge della termodinamica che l'entropia totale deve aumentare. Per questo motivo non erano richieste ipotesi di un gas ideale o altre semplificazioni sui tipi di interazioni nel sistema", afferma il primo autore Yuki Sughiyama. Essere in grado di calcolare il tasso di produzione di entropia può essere vitale per valutare i sistemi biofisici. Questa ricerca può aiutare a porre lo studio della termodinamica dei sistemi viventi su basi teoriche più solide, il che potrebbe migliorare la nostra comprensione della riproduzione biologica.

Gli articoli sono pubblicati in Physical Review Research come "Struttura geometrica dell'Assia di sistemi termodinamici chimici con vincoli stechiometrici" e "Termodinamica chimica per sistemi in crescita". + Esplora ulteriormente

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