Колко бързо се размножават бактериите?

Всички живи и неживи трябва да се подчиняват на законите на физиката - включително и втория закон на термодинамиката, който гласи, че ентропията на изолирана система не може да бъде намалена. На пръв поглед съществуват високоорганизирани многоклетъчни организми, противоречащи на този закон за „не намаляващо разстройство“, но в действителност топлината, генерирана от тях, увеличава ентропията на Вселената, а вторият закон на термодинамиката не се нарушава. Въпреки това в тази област остават много въпроси. Колко топлина трябва да отдели клетката в космическото пространство, за да компенсира вътрешното си подреждане по отношение на термодинамиката? Колко близо са клетките до границата, зададена от втория закон на термодинамиката?

Джеръми Англия, физик в MIT, моделира процеса на възпроизвеждане на E. coli. Като взема предвид структурата на бактериалната клетка, характеристиките на възпроизводството и скоростта на растеж, ученият изчисли минималното количество топлина, която Е. coli трябва да отделя в околното пространство, за да не се наруши вторият закон на термодинамиката. Действителната стойност на топлопредаването се оказа приблизително същата като теоретичната: бактерията „нагрява“ околната среда само шест пъти по-силна, отколкото й каза термодинамиката. За биологична система това е доста висока ефективност.

Ингланд използва метода на статистическата механика (изчислявайки вероятността на различни варианти на взаимното подреждане на атоми и молекули), за да симулира 20-минутния процес на възпроизвеждане на E. coli, по време на който бактерията консумира много храна, преобразува я в енергия, пренарежда и нарежда молекулите си (включително протеини и ДНК) и в крайна сметка се разделя на две клетки.

За да изучи термодинамиката на този процес, Ингланд реши да симулира обратната ситуация, когато две клетки се слеят в една. Това събитие е толкова малко вероятно, че в природата, най-вероятно, никога няма да се случи. Числено тази вероятност може да бъде оценена чрез изчисляване на вероятността за обръщане на всички химически реакции, необходими за деленето на бактериална клетка. Най-често срещаната от тези реакции е образуването на пептидни връзки. Вероятността тази реакция спонтанно да премине в обратна посока е толкова малка, че в някаква абстрактна „вечна“ клетка това събитие ще се случи само веднъж на 600 години. Спонтанно разкъсване на всички 1, 6 милиарда пептидни връзки, присъстващи в бактериална клетка, ще трябва да изчака много по-дълго. Като изчисли енергията, необходима за разрушаването на тези връзки, и времето, през което този процес можеше да мине спонтанно, Ингланд оцени теоретичните параметри и обратния процес - делене на клетките с образуването на пълен набор от пептидни връзки.

Оказа се, че изчислената стойност е малко повече от една шеста от количеството топлина, което бактериите отделят в заобикалящото пространство за единица време. Теоретично бактериите биха могли да се размножават по-бързо, но Ингланд смята, че е малко вероятно да се развият, повишавайки ефективността на репродукцията - бактериите имат много други „вътреклетъчни задачи“. Но за специалистите в областта на синтетичната биология изчисленията на Англия могат да бъдат много интересни: те демонстрират възможността за създаване на микроорганизми, които се разделят по-бързо от техните немодифицирани колеги.

Ингланд вярва, че работата му също индиректно посочва причините, поради които ДНК, а не РНК, се развива като носител на генетична информация: връзките в ДНК са по-трайни и по-малко податливи на спонтанно унищожаване. От друга страна, „термодинамичната бариера“ за организмите, които разчитат на РНК, е по-ниска. Те могат да се размножават по-бързо, развивайки се и използвайки всички налични ресурси.

Според прессъобщението на MIT News

Препоръчано

Как да си направите машина за триониране: направете майсторски клас
2019
Какво крият: 7 тайни, които помагат да изплашат комарите
2019
Бактериите ще командват парада: на какво са способни микробите в нашето тяло
2019