假設(shè)的物理學(xué)“惡魔”可能潛伏在我們的細(xì)胞內(nèi)

早在 1867 年，為了測(cè)試他對(duì)新興科學(xué)的看法熱力學(xué)物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋想象一個(gè)聰明的“惡魔”根據(jù)能量在兩個(gè)容器之間分揀分子。

在 2023 年，可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了麥克斯韋虛構(gòu)惡魔的一個(gè)不那么惡魔的版本。

根據(jù)瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）研究人員的一項(xiàng)新研究，嵌入細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)稱(chēng)為ATP 結(jié)合盒 （ABC） 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有呼應(yīng)麥克斯韋惡魔的特征，允許它們對(duì)基材進(jìn)行分類(lèi)。

事實(shí)上，這些ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白已經(jīng)存在了數(shù)十億年，幾乎可以在每個(gè)生物體中找到。更重要的是，它們適合天然熱力學(xué)定律.

事實(shí)證明，麥克斯韋在不知不覺(jué)中描述了生命的基石的一個(gè)基本方面。

“我們證明ABC是真正的麥克斯韋惡魔，”說(shuō)Paolo De Los Rios，EPFL統(tǒng)計(jì)生物物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任。

“麥克斯韋惡魔的測(cè)量，反饋和重置步驟，對(duì)能量的需求以及信息熱力學(xué)方面的描述都是該模型的新興特征。

麥克斯韋描述的惡魔控制著兩個(gè)氣體容器之間的一扇門(mén)，允許高能分子向一個(gè)方向移動(dòng)，而較冷的分子向另一個(gè)方向移動(dòng)，無(wú)視平衡，否則平衡會(huì)均勻它們的分布。

作為系統(tǒng)的一部分（以及神奇的小惡魔，他自己不依賴(lài)能量），惡魔會(huì)從產(chǎn)生的能量中產(chǎn)生能量溫差從絕對(duì)沒(méi)有。

答案是肯定的熱力學(xué)定律 能量實(shí)際上不可能無(wú)中生有，因?yàn)樾枰ぷ鱽?lái)測(cè)量和記住粒子速度。

然而，像麥克斯韋盒子中的不同溫度這樣的差異在自然界中經(jīng)常出現(xiàn)，例如細(xì)胞內(nèi)外的不同分子濃度。

科學(xué)家有既往疑似像麥克斯韋惡魔這樣的東西可能參與了與自然濃度梯度流一起運(yùn)輸分子的能量密集型過(guò)程。但這是第一次以讓人想起麥克斯韋著名的思想實(shí)驗(yàn)的方式描述和建模這樣一個(gè)系統(tǒng)的信息框架。

研究人員提出，細(xì)胞膜上的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以與麥克斯韋惡魔相同的方式控制分子流動(dòng)，使用來(lái)自ATP（三磷酸腺苷）分子為該過(guò)程提供動(dòng)力。

然后，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的生化結(jié)構(gòu)根據(jù)被轉(zhuǎn)運(yùn)分子的位置進(jìn)行測(cè)量、反饋和重置，如上圖所示。

這是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗虝?huì)了我們更多關(guān)于細(xì)胞如何能夠調(diào)節(jié)其環(huán)境和功能的知識(shí)。因?yàn)樗麄冃枰?/a>，通過(guò)管理分子的導(dǎo)入和導(dǎo)出，就像細(xì)胞門(mén)口的小惡魔一樣。

雖然研究人員確實(shí)做了一些簡(jiǎn)化，以使他們的計(jì)算工作，但他們相信他們?cè)谘芯空撐闹懈攀龅膬?nèi)容可以應(yīng)用于更復(fù)雜的系統(tǒng) - 本質(zhì)上廣泛的系統(tǒng)。

“這種方法是理解這些系統(tǒng)原本復(fù)雜的生化回路的有用概念框架，”寫(xiě)研究人員在他們發(fā)表的論文中。

該研究已發(fā)表在通信物理.

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