Биолог установил, что размножение бактерий ограничено законами физики

Учёный рассчитал, сколько энергии необходимо выделить бактерии, чтобы произвести деление и не разрушиться согласно второму закону термодинамики.

Кишечная палочка (Escherichia coli) способна копировать себя посредством деления всего за 20 минут. Джереми Инглэнд (Jeremy England) из Массачусетского технологического института решил выяснить, можно ли ускорить этот процесс. Оказалось, что бактерия размножается лишь немного медленнее предельной скорости, ограниченной законами физики.

В основе работы лежит вопрос: как получается, что живые системы существуют в строго организованном порядке, не вступая в противоречие со вторым началом термодинамики?

Оказывается, организмы не нарушают этот принцип, потому что компенсируют внутреннюю упорядоченность (всех компонентов, нужных для образования ещё одной клетки), производя тепло, выделяемое в окружающую среду.

Учёный задался целью измерить количество тепла, которое выделяется при репликации бактерий, и установить, как затратить наименьшее количество энергии для деления одной бактерии в рамках второго закона термодинамики.

Инглэнд рассчитал, что минимальное количество тепла, необходимое для деления кишечной палочки, составляет треть от той энергии, которую бактерия в принципе способна произвести. Он установил, если E. coli повысит скорость размножения в два раза, то подойдёт к пределу эффективности репликации. В таком случае её КПД будет около 100%, что противоречит второму принципу термодинамики.

Учёный считает, что в природе бактерия никогда не сможет достигнуть этого предела. Это связано с тем, что множество факторов окружающей среды не могут оставаться стабильными и постоянно меняются. В результате организм не имеет возможности адаптироваться к каждому из них, и это замедляет деление. Однако исследование Инглэнда будет интересно генетикам и биотехнологам, которые выращивают одноклеточные организмы в лабораториях, где условия практически не варьируются.

"С помощью современных биотехнологий можно создать организмы, которые будут размножаться гораздо быстрее, чем те, с которыми мы имеем дело сегодня", — говорит учёный в пресс-релизе MIT. Это поможет исследователям выращивать колонии бактерий для экспериментов в более короткие сроки.

Подробнее с исследованием можно ознакомиться, изучив препринт статьи Инглэнда.