Godine 1867. čuveni fizičar James Clerk Maxwell zamislio je inteligentnog “demona” kako bi testirao nastajuću znanost termodinamike. Njegov imaginarni demon razvrstao bi molekule između dvaju spremnika na temelju njihove energije. U 2023. godini znanstvenici s Politehničke federalne škole u Lausanni (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, ili EPFL) u Švicarskoj otkrili su stvarnu verziju Maxwellova demona, iako bez dijaboličnog tona.
Demon je jedan specifičan protein
Ono što su švicarski znanstvenici otkrili jest da proteini ugrađeni u stanične membrane, poznati kao ATP-Binding Cassette (ABC) transporteri, pokazuju karakteristike koje podsjećaju na Maxwellova zamišljenog demona, što im omogućuje razvrstavanje supstrata. ABC transporteri su drevni, stari su milijardama godina i prisutni su u gotovo svim živim organizmima, radeći u skladu s prirodnim termodinamičkim principima.
Pokazujemo da su ABC transporteri pravi Maxwellovi demoni, rekao je Paolo De Los Rios, voditelj Laboratorija za statističku biofiziku na EPFL-u. Naglašava da su mjerenja, povratne informacije i procesi ponovnog postavljanja Maxwellova demona, energetski zahtjevi i opis termodinamičkih informacija usklađeni s ponašanjem tih staničnih prijenosnika.
Čuvar staničnih vrata
Maxwellov demon, kako ga je opisao fizičar, manipulirao je vratima između spremnika ispunjenih plinom, selektivno dopuštajući toplijim molekulama da prođu u jednom smjeru, a hladnijim u suprotnom smjeru, prkoseći ravnoteži sustava i naizgled generirajući energiju ni iz čega, iako termodinamika inzistira na tome da energija ne može nastati bez rada na mjerenju i pamćenju brzina čestica.
Unatoč tome, prirodne pojave, kao što su različite molekularne koncentracije unutar i izvan stanica, često pokazuju slična odstupanja. Znanstvenici već dugo sumnjaju na uključenost nečega sličnog Maxwellovom demonu u energetski intenzivan proces prijenosa molekula protiv njihovog prirodnog koncentracijskog gradijenta. Nova studija, koja je objavljena u časopisu Communications Physics, označava prvi opis i modeliranje takvog sustava unutar informacijskog okvira koji podsjeća na Maxwellov misaoni eksperiment.
Novo znanje o stanicama
Švicarski znanstvenici predlažu da ABC transporteri na staničnim membranama upravljaju protokom molekula slično Maxwellovim demonima, koristeći molekule ATP-a (adenozin trifosfata) za pokretanje tog procesa. Biokemijska struktura transportera upravlja mjerenjem, povratnom spregom i resetiranjem na temelju položaja transportirane molekule.
To je otkriće značajno jer baca svjetlo na to kako stanice reguliraju svoje okruženje i funkcioniraju učinkovito kontrolirajući uvoz i izvoz molekula, slično minijaturnom čuvaru na ulazu u stanicu. Iako su znanstvenici pojednostavili svoje izračune, vjeruju da se načela navedena u njihovoj studiji mogu primijeniti na složenije prirodne sustave.
