Молекулярный демон
Молекулярный демон или биологическая молекулярная машина — это биологическая макромолекула , которая напоминает и, кажется, обладает теми же свойствами, 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, то есть 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 очевидном нарушении второго закона. [2] [3]
Цикл
[ редактировать ]Молекулярный демон переключается преимущественно между двумя конформациями . Первое, или основное, состояние после узнавания и связывания лиганда или субстрата после индуцированного соответствия претерпевает изменение конформации, которое приводит ко второму квазистабильному состоянию: комплексу белок-лиганд . Чтобы вернуть белок в исходное, базовое состояние, ему нужна АТФ . Когда АТФ расходуется или гидролизуется, лиганд высвобождается, и демон снова получает информацию, возвращаясь в свое основное состояние. Цикл может начаться снова. [1]
Трещотка
[ редактировать ]Второй закон термодинамики является статистическим законом. Следовательно, иногда отдельные молекулы могут не подчиняться закону. Все молекулы подвержены молекулярному шторму, то есть хаотическому движению молекул в цитоплазме и внеклеточной жидкости . Молекулярные демоны или молекулярные машины , биологические или искусственно созданные, постоянно толкаются случайным тепловым движением в направлении, которое иногда нарушает закон. Когда это происходит и можно предотвратить скольжение макромолекулы назад из совершенного ею движения или конформационное изменение, которое она претерпела, в исходное состояние, 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 белков нитей или также накопление продуктов, образующихся в результате ферментативной реакции. Даже некоторые искусственные молекулярные машины и эксперименты способны создать храповик, явно игнорирующий второй закон термодинамики. [6] [7] Все эти молекулярные демоны должны быть возвращены в исходное состояние, потребляя внешнюю энергию, которая впоследствии рассеивается в виде тепла. Поэтому этот последний шаг, на котором энтропия возрастает, необратим. Если бы демоны были обратимы, никакая работа не производилась бы. [5]
Искусственный
[ редактировать ]Примером искусственных храповых механизмов является работа Серрели и др. (2007). [6] Серрели и др. сконструировал наномашину , ротаксан , которая состоит из молекулы в форме кольца, которая движется вдоль крошечной молекулярной оси между двумя разными равными отсеками, А и В. Нормальное, случайное движение молекул перемещает кольцо вперед и назад. Поскольку кольца движутся свободно, половина ротаксанов имеет кольцо на сайте B, а другая половина — на сайте A. Но система, использованная Serreli et al. имеет химические ворота на молекуле ротаксана, а ось содержит две липкие части, по одной с каждой стороны ворот. Эти ворота открываются, когда кольцо оказывается рядом. Липкая часть в B расположена близко к воротам, и кольца легче проходят к A, чем от A к B. Они получили отклонение от равновесия 70:50 для A и B соответственно, что немного похоже на демона Максвелла. Но эта система работает только тогда, когда на нее падает свет, и поэтому ей нужна внешняя энергия, как и молекулярным демонам.
Энергия и информация
[ редактировать ]Ландауэр заявил, что информация является физической. [8] Его принцип устанавливает фундаментальные термодинамические ограничения для классической и квантовой обработки информации. Много усилий было посвящено включению информации в термодинамику и измерению энтропийных и энергетических затрат на манипулирование информацией. Получение информации уменьшает энтропию, которая имеет энергетические затраты. Эту энергию необходимо собирать из окружающей среды. [9] Ландауэр установил эквивалентность одного бита информации с энтропией, которая выражается 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 информация может быть преобразована в свободную энергию. Это довольно элегантный эксперимент, в котором микроскопическая частица находится на потенциале, напоминающем спиральную лестницу. Ступенька имеет высоту, соответствующую k B T, где k B — постоянная Больцмана , а T — температура. Частица перескакивает между ступенями за счет случайных тепловых движений. Поскольку скачки вниз по градиенту происходят чаще, чем вверх, то в среднем частица падает с лестницы. Но когда наблюдается прыжок вверх, за частицей ставится брусок, чтобы она не упала, как в храповике. Таким образом он должен подняться по лестнице. Информация получается путем измерения местоположения частицы, что эквивалентно увеличению энергии, то есть уменьшению энтропии. Они использовали обобщенное уравнение для второго закона, которое содержит переменную для информации:
ΔF — свободная энергия между состояниями , W — работа, совершаемая над системой , k — постоянная Больцмана , T — температура, а I — взаимное информационное содержание, полученное в результате измерений. В скобках указано, что энергия является средней. [7] Они могли бы преобразовать эквивалент одного бита информации в энергию 0,28 или кТлн2 , другими словами, они могли бы использовать более четверти энергосодержания информации. [12]
Когнитивные демоны
[ редактировать ]В своей книге «Шанс 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 самые 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 настоящего отличительного, если не «когнитивного», свойства Жак Моно приписал этим биологическим комплексам телеономическую функцию. Телеономия подразумевает идею целенаправленной, последовательной и конструктивной деятельности. Поэтому белки следует считать важными молекулярными агентами в телеономической деятельности всех живых существ.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Р., Левенштейн, Вернер (29 января 2013 г.). Физика в уме: квантовый взгляд на мозг . Нью-Йорк. ISBN 9780465029846 . OCLC 778420640 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б Моно Дж (1970). Случайность и необходимость. Очерк натурфилософии современной биологии [ Шанс и необходимость Очерк натурфилософии современной биологии ] (на французском языке). Порог.
- ^ Максвелл, Джеймс Клерк (2009). Нивен, В.Д. (ред.). Научные статьи Джеймса Клерка Максвелла . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/cbo9780511698095 . hdl : 2027/msu.31293102595331 . ISBN 9780511698095 .
- ^ Бломберг, Клас (2007), «БРАУНОВСКИЙ ХРАПОВИК: ОДНОНАПРАВЛЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ», Physics of Life , Elsevier, стр. 340–343, doi : 10.1016/b978-044452798-1/50031-2 , ISBN 9780444527981
- ^ Jump up to: а б М., Хоффманн, Питер (2012). Храповик жизни: как молекулярные машины извлекают порядок из хаоса . Основные книги. ISBN 9780465022533 . OCLC 808107321 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б Ли, Дэвид А.; Юан Р. Кей; Ли, Чин-Фа; Серрели, Вивиана (01 февраля 2007 г.). «Молекулярный информационный храповик». Природа . 445 (7127): 523–527. Бибкод : 2007Natur.445..523S . дои : 10.1038/nature05452 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 17268466 . S2CID 4314051 .
- ^ Jump up to: а б Сано, Масаки; Мунеюки, Эйро; Уэда, Масахито; Сагава, Такахиро; Тоябе, Шоичи (14 ноября 2010 г.). «Экспериментальная демонстрация преобразования информации в энергию и подтверждение обобщенного равенства Яржинского». Физика природы . 6 (12): 988–992. arXiv : 1009.5287 . Бибкод : 2010НатФ...6..988Т . дои : 10.1038/nphys1821 . ISSN 1745-2481 . S2CID 118444713 .
- ^ Ландауэр, Рольф (1991). «Информация физическая». Физика сегодня . 44 (5): 23–29. Бибкод : 1991PhT....44e..23L . дои : 10.1063/1.881299 .
- ^ Сагава, Такахиро; Горовиц, Джордан М.; Паррондо, Хуан М.Р. (3 февраля 2015 г.). «Термодинамика информации». Физика природы . 11 (2): 131–139. arXiv : 2306.12447 . Бибкод : 2015NatPh..11..131P . дои : 10.1038/nphys3230 . ISSN 1745-2481 . S2CID 51800981 .
- ^ Альфонсо-Фаус, Антонио (30 июня 2013 г.). «Основной принцип преобразования информации в энергию». Arrivi.org : 4. arXiv : 1401.6052 .
- ^ Болл, Филип (2012). «Выявлена неизбежная стоимость вычислений» . Новости природы . дои : 10.1038/nature.2012.10186 . S2CID 2092541 .
- ^ «Информация превращается в энергию» . Мир физики . 19 ноября 2010 г. Проверено 30 января 2019 г.