stringtranslate.com

Молекулярный демон

Рис.1 Схематическое изображение мысленного эксперимента демона Максвелла. Демон отличает быстро движущиеся молекулы от медленно движущихся и выборочно открывает маленький люк, чтобы быстро движущиеся молекулы прошли из A в B, а медленно движущиеся молекулы из B в A. Отсек B нагревается, тогда как A охлаждается относительно средней температуры, хотя работа не совершается. Кажется, что здесь есть противоречие со вторым законом термодинамики. Но способность различать требует получения информации, которая является формой энергии; следовательно, система подчиняется второму закону термодинамики, поскольку информация сначала приобретается, а затем стирается.

Молекулярный демон или биологическая молекулярная машина — это биологическая макромолекула , которая напоминает демона Максвелла и, по-видимому, имеет те же свойства, что и демон Максвелла . Эти макромолекулы собирают информацию , чтобы распознать свой субстрат или лиганд среди множества других молекул, плавающих во внутриклеточной или внеклеточной плазме. Это молекулярное распознавание представляет собой прирост информации, который эквивалентен приросту энергии или уменьшению энтропии . Когда демон сбрасывается, т. е. когда лиганд высвобождается, информация стирается, энергия рассеивается, а энтропия увеличивается, подчиняясь второму закону термодинамики . [1] Разница между биологическими молекулярными демонами и мысленным экспериментом демона Максвелла заключается в том, что последний явно нарушает второй закон. [2] [3]

Рис.2 Демон белка (синий) и субстрат или лиганд (оранжевый) проходят через цикл, в котором электромагнитное взаимодействие (1' --> 2) между ними, следующее за индуцированным соответствием, вызывает конформационное изменение, при котором субстрат высвобождается (2'). Гидролиз АТФ возвращает белок в исходное состояние

Цикл

Молекулярный демон переключается в основном между двумя конформациями . Первое, или основное состояние, при распознавании и связывании лиганда или субстрата после индуцированного соответствия претерпевает изменение конформации, что приводит ко второму квазистабильному состоянию: комплексу белок-лиганд . Для того чтобы вернуть белок в его исходное, основное состояние, ему требуется АТФ . Когда АТФ потребляется или гидролизуется, лиганд высвобождается, и демон снова получает информацию, возвращаясь в свое основное состояние. Цикл может начаться снова. [1]

Трещотка

Второй закон термодинамики является статистическим законом. Следовательно, иногда отдельные молекулы могут не подчиняться закону. Все молекулы подвержены молекулярному шторму, т. е. случайному движению молекул в цитоплазме и внеклеточной жидкости . Молекулярные демоны или молекулярные машины, как биологические, так и искусственно сконструированные, непрерывно толкаются случайным тепловым движением в направлении, которое иногда нарушает закон. Когда это происходит и скольжение назад макромолекулы от движения, которое она совершила, или конформационное изменение, которому она подверглась, к своему исходному состоянию может быть предотвращено, как в случае с молекулярными демонами, молекула работает как храповик; [4] [5] можно наблюдать, например, создание градиента ионов или других молекул через клеточную мембрану , движение моторных белков вдоль филаментных белков или также накопление продуктов, получаемых в результате ферментативной реакции. Даже некоторые искусственные молекулярные машины и эксперименты способны образовывать храповик, по-видимому, бросая вызов второму закону термодинамики. [6] [7] Все эти молекулярные демоны должны быть возвращены в исходное состояние, потребляя внешнюю энергию, которая впоследствии рассеивается в виде тепла. Этот последний шаг, на котором энтропия увеличивается, поэтому необратим. Если бы демоны были обратимы, то работа не выполнялась бы. [5]

Искусственный

Примером искусственных храповиков является работа Серрелли и др. (2007). [6] Серрелли и др. построили наномашину , ротаксан , которая состоит из кольцеобразной молекулы, которая движется вдоль крошечной молекулярной оси между двумя различными равными отсеками, A и B. Нормальное случайное движение молекул отправляет кольцо вперед и назад. Поскольку кольца движутся свободно, половина ротаксанов имеет кольцо на участке B, а другая половина на участке A. Но система, используемая Серрелли и др., имеет химические ворота на молекуле ротаксана, а ось содержит две липкие части, по одной с каждой стороны ворот. Эти ворота открываются, когда кольцо находится близко. Липкая часть в B находится близко к воротам, и кольца легче проходят в A, чем из A в B. Они получили отклонение от равновесия 70:50 для A и B соответственно, немного похожее на демона Максвелла. Но эта система работает только тогда, когда на нее падает свет, и поэтому нуждается во внешней энергии, как и молекулярные демоны.

Энергия и информация

Ландауэр утверждал, что информация является физической. [8] Его принцип устанавливает фундаментальные термодинамические ограничения для классической и квантовой обработки информации. Много усилий было направлено на включение информации в термодинамику и измерение энтропийных и энергетических затрат на манипулирование информацией. Получение информации уменьшает энтропию, которая имеет энергетическую стоимость. Эту энергию необходимо собирать из окружающей среды. [9] Ландауэр установил эквивалентность одного бита информации с энтропией, которая представлена ​​как kT ln 2, где k — постоянная Больцмана, а T — комнатная температура. Эта граница называется пределом Ландауэра. [10] Вместо этого стирание энергии увеличивает энтропию. [11] Тоябе и др. (2010) смогли экспериментально продемонстрировать, что информацию можно преобразовать в свободную энергию. Это довольно элегантный эксперимент, который состоит из микроскопической частицы на потенциале, подобном винтовой лестнице. Ступенька имеет высоту, соответствующую k B T, где k B — постоянная Больцмана , а T — температура. Частица прыгает между ступенями из-за случайных тепловых движений. Поскольку скачки вниз по градиенту происходят чаще, чем вверх, частица в среднем падает вниз по лестнице. Но когда наблюдается скачок вверх, позади частицы ставится блок, чтобы она не упала, как в храповом механизме. Таким образом, она должна подниматься по лестнице. Информация получается путем измерения местоположения частицы, что эквивалентно увеличению энергии, т. е. уменьшению энтропии. Они использовали обобщенное уравнение для второго закона, которое содержит переменную для информации:

ΔF — свободная энергия между состояниями , W — работа, проделанная в системе , k — постоянная Больцмана , T — температура, а I — взаимное информационное содержание, полученное путем измерений. Скобки указывают на то, что энергия является средним значением. [7] Они могли бы преобразовать эквивалент одного бита информации в 0,28 kT ln2 энергии или, другими словами, они могли бы использовать более четверти энергетического содержания информации. [12]

Когнитивные демоны

В своей книге «Случайность и необходимость» Жак Моно описал функции белков и других молекул, способных распознавать с помощью «избирательной дискриминации» субстрат, лиганд или другую молекулу. [2] Описывая эти молекулы, он ввел термин «когнитивные» функции, те же когнитивные функции, которые Максвелл приписывал своему демону. Вернер Левенштейн идет дальше и называет эти молекулы « молекулярным демоном » или, короче, «демоном». [1]

Такое наименование биологических молекулярных машин облегчает понимание сходства между этими молекулами и демоном Максвелла.

Из-за этого действительно дискриминативного, если не «когнитивного» свойства, Жак Моно приписал телеономическую функцию этим биологическим комплексам. Телеономия подразумевает идею ориентированной, последовательной и конструктивной деятельности. Поэтому белки следует считать важнейшими молекулярными агентами в телеономических действиях всех живых существ.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc R., Левенштейн, Вернер (2013-01-29). Физика в сознании: квантовый взгляд на мозг . Нью-Йорк. ISBN 9780465029846. OCLC  778420640.{{cite book}}: CS1 maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  2. ^ аб Моно Дж (1970). Опасность и необходимость. Essai sur la philosophie naturallle de la Biologie Moderne [ Шанс и необходимость Очерк натурфилософии современной биологии ] (на французском языке). Ле Сей.
  3. ^ Максвелл, Джеймс Клерк (2009). Нивен, У. Д. (ред.). Научные труды Джеймса Клерка Максвелла . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. doi : 10.1017/cbo9780511698095. hdl : 2027/msu.31293102595331. ISBN 9780511698095.
  4. ^ Бломберг, Клас (2007), «БРОУНИАНСКИЙ ХРАПОВИК: ОДНОНАПРАВЛЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ», Physics of Life , Elsevier, стр. 340–343, doi :10.1016/b978-044452798-1/50031-2, ISBN 9780444527981
  5. ^ ab M., Hoffmann, Peter (2012). Храповик жизни: как молекулярные машины извлекают порядок из хаоса . Basic Books. ISBN 9780465022533. OCLC  808107321.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  6. ^ ab Leigh, David A.; Euan R. Kay; Lee, Chin-Fa; Serreli, Viviana (2007-02-01). «Молекулярный информационный храповик». Nature . 445 (7127): 523–527. Bibcode :2007Natur.445..523S. doi :10.1038/nature05452. ISSN  1476-4687. PMID  17268466. S2CID  4314051.
  7. ^ ab Сано, Масаки; Мунеюки, Эйро; Уэда, Масахито; Сагава, Такахиро; Тоябэ, Сёичи (2010-11-14). «Экспериментальная демонстрация преобразования информации в энергию и проверка обобщенного равенства Яржинского». Nature Physics . 6 (12): 988–992. arXiv : 1009.5287 . Bibcode :2010NatPh...6..988T. doi :10.1038/nphys1821. ISSN  1745-2481. S2CID  118444713.
  8. ^ Ландауэр, Рольф (1991). «Информация физична». Physics Today . 44 (5): 23–29. Bibcode : 1991PhT....44e..23L. doi : 10.1063/1.881299.
  9. ^ Сагава, Такахиро; Хоровиц, Джордан М.; Паррондо, Хуан М. Р. (2015-02-03). «Термодинамика информации». Nature Physics . 11 (2): 131–139. arXiv : 2306.12447 . Bibcode : 2015NatPh..11..131P. doi : 10.1038/nphys3230. ISSN  1745-2481. S2CID  51800981.
  10. ^ Альфонсо-Фаус, Антонио (2013-06-30). "Фундаментальный принцип преобразования информации в энергию". Arrivi.org : 4. arXiv : 1401.6052 .
  11. ^ Болл, Филип (2012). «Неизбежная стоимость вычислений раскрыта». Nature News . doi :10.1038/nature.2012.10186. S2CID  2092541.
  12. ^ "Информация, преобразованная в энергию". Physics World . 2010-11-19 . Получено 2019-01-30 .