Термодинамика репликации.

Репликация — один из важнейших признаков жизни.

Джереми Ингланд опубликовал в 2013 году статью “Statistical physics of self-replication” (PDF в первом комментарии), в которой он рассматривает физику самокопирования.

Из уравнений статистической физики он выводит обобщение второго закона термодинамики для изотермических процессов репликации:

ΔSₑₙᵥ + ΔSᵢₙₜ ≥ k⋅ln(tₖᵢₗₗ/tᵣₑₚ)

, где ΔSₑₙᵥ = Q/T: изменение энтропии внешней среды, равное теплу, обмениваемому системой со средой, деленное на температуру.
ΔSᵢₙₜ: внутренняя (или информационная) часть изменения энтропии системы, она отрицательна, так как при репликации система становится более упорядоченной.
ln(tₖᵢₗₗ/tᵣₑₚ): Логарифм отношения времени распада tₖᵢₗₗ к времени копирования tᵣₑₚ репликанта, в приближении tₖᵢₗₗ≫tᵣₑₚ.
k: постоянная Больцмана.

Отсюда следует, что конкурентное преимущество в скорости репликации имеет энергетическую цену, однако она логарифмическая.

На примере экспериментальных данных об энергозатратах при копировании молекулы РНК и делении бактерии кишечной палочки Ингланд показывает, что эти процессы очень энергоэффективны и приближаются к пределу Ландауэра.

Необратимость процесса репликации он иллюстрирует тем, что все мы можем себе представить, как одна клетка делится на две, но не можем себе представить, чтобы две клетки обратно слились в одну, так как это противоречит росту энтропии.

В итоге Ингланд в своей работе делает вывод, что репликация – это не только биологическое явление, но термодинамический процесс, который может быть описан формально и количественно. Самовоспроизведение требует потребления энергии из окружающей среды и производства энтропии.

#Термодинамика@entropians
#Жизнь@entropians