Un physicien déduit les lois de la thermodynamique pour la vie elle-même

Voici une expérience de pensée intéressante. Imaginez une boîte remplie d'une variété d'atomes et de molécules dans des proportions à peu près équivalentes à la composition de la soupe prébiotique dans laquelle la vie se développe.

Quelle est la probabilité que ces molécules s'organisent en un être vivant à part entière, une bactérie, par exemple ? C'est une question difficile, mais Jeremy England du Massachusetts Institute of Technology de Cambridge a trouvé comment calculer une réponse, du moins en théorie. Ses résultats en font une lecture fascinante.

Une partie du problème ici est que la vie elle-même est difficile à définir. Mais l'Angleterre a un moyen de contourner cela. Son idée est d'examiner toutes les combinaisons d'états possibles dans cet encadré et de consulter un microbiologiste omniscient pour savoir si chaque état représente une bactérie ou non. De cette façon, il devrait être possible, au moins en principe, de se faire une idée de la physique statistique impliquée.

Ensuite, il demande au microbiologiste de revoir la boîte après une période à peu près équivalente au temps nécessaire à la division des bactéries.

La question est alors de savoir quelle est la probabilité qu'il y ait deux bactéries dans la boîte.

Une fois de plus, le microbiologiste omniscient pourrait examiner chaque état possible de la boîte et dire si l'auto-réplication a eu lieu ou non. Si la boîte contient deux bactéries, il est possible de déterminer la quantité d'entropie créée dans le processus et la quantité de chaleur utilisée.

L'Angleterre introduit quelques lois fondamentales de la thermodynamique et construit ainsi un modèle de physique statistique d'auto-réplication, un modèle analogue aux lois qui régissent le comportement statistique de tout ensemble de particules dans une boîte.

À titre de comparaison, il examine également les statistiques qui régissent le processus inverse – la décomposition spontanée des bactéries en dioxyde de carbone, hydrogène, etc.

Cela fixe une limite importante à ce qui est thermodynamiquement possible dans ce système : en effet, l'Angleterre dérive la deuxième loi de la thermodynamique pour le système. À partir de là, il élabore diverses «lois» telles que la quantité minimale de chaleur qu'un seul cycle de division cellulaire devrait produire.

Enfin, il introduit quelques chiffres dans son modèle, y compris des chiffres tels que la durée de vie des liaisons peptidiques dans les systèmes biologiques, pour déterminer la quantité de chaleur que les systèmes complexes comme les bactéries E. coli devraient produire lorsqu'ils se répliquent.

Il s'avère que les bactéries E. coli sont des réplicateurs remarquablement efficaces. L'organisme peut convertir l'énergie chimique en une nouvelle copie de lui-même si efficacement que s'il produisait même la moitié de la chaleur, il repousserait les limites de ce qui est thermodynamiquement possible ! il dit.

Il fait un calcul similaire pour la réplication des molécules d'ARN et d'ADN. Cela suggère qu'en termes de thermodynamique, la réplication est beaucoup plus facile pour l'ARN que pour l'ADN.

C'est un résultat intéressant étant donné que de nombreux biologistes ont suggéré que les premiers systèmes d'auto-réplication dans la soupe prébiotique de la Terre devaient être basés sur l'ARN plutôt que sur l'ADN.

Dans le passé, les biologistes ont étudié les propriétés catalytiques de l'ARN qui sont cruciales pour les cellules vivantes et ont noté que l'ADN ne partage pas ces propriétés. L'idée est donc que l'ARN doit être arrivé en premier dans la chronologie de la réplication, l'ADN évoluant plus tard à mesure que la vie devenait plus complexe.

Les travaux de l'Angleterre soutiennent cette idée, mais pour des raisons complètement différentes : l'ARN est thermodynamiquement meilleur pour l'auto-réplication. Un résultat fascinant.

Le travail a cependant une limite importante. Il n'aborde pas la définition de la nature de la vie et renvoie le problème à un microbiologiste omniscient qui, suppose-t-on, peut toujours fournir une réponse.

Il y a un indice alléchant que l'approche de l'Angleterre pourrait un jour résoudre ce problème. En explorant plus en détail le rôle de la physique statistique, il est peut-être possible de définir la vie en termes de limites thermodynamiques précises.

C'est pourquoi cela vaudra la peine de regarder où l'Angleterre prendra son idée ensuite.

Réf : arxiv.org/abs/1209.1179 : Physique statistique de l'auto-réplication

cacher