Los científicos a menudo consideran que revelar las leyes científicas que gobiernan nuestro mundo es el "santo grial", ya que tales descubrimientos tienen amplias implicaciones. En un desarrollo emocionante de Japón, los científicos han demostrado cómo usar representaciones geométricas para codificar las leyes de la termodinámica y aplicar estas representaciones para obtener predicciones generalizadas. Este trabajo puede mejorar significativamente nuestra comprensión de los límites teóricos que se aplican dentro de la química y la biología.

Si bien los sistemas vivos están sujetos a las leyes de la física, a menudo encuentran formas creativas de aprovechar estas reglas de formas que los sistemas físicos no vivos rara vez pueden. Por ejemplo, cada organismo vivo encuentra una forma de reproducirse. En un nivel fundamental, esto se basa en ciclos autocatalíticos en los que una determinada molécula puede estimular la producción de moléculas idénticas, o un conjunto de moléculas se producen entre sí. Como parte de esto, el compartimento en el que existen las moléculas crece en volumen. Sin embargo, el conocimiento científico carece de una representación termodinámica completa de tales procesos autorreplicantes, lo que permitiría a los científicos comprender cómo los sistemas vivos pueden emerger de objetos no vivos.

Ahora, en dos artículos relacionados publicados en Physical Review Research , investigadores del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio utilizaron una técnica geométrica para caracterizar las condiciones que se corresponden con el crecimiento de un sistema autorreproductivo. El principio rector es la famosa segunda ley de la termodinámica, que requiere que la entropía, generalmente entendida como desorden, solo puede aumentar. Sin embargo, puede ser posible un aumento en el orden, como una bacteria que absorbe nutrientes para permitirle dividirse en dos bacterias, pero a costa de una mayor entropía en otro lugar. "La autorreplicación es un sello distintivo de los sistemas vivos, y nuestra teoría ayuda a explicar las condiciones ambientales para determinar su destino, ya sea que crezcan, se encojan o se equilibren", dice el autor principal Tetsuya J. Kobayashi.

La idea principal fue representar las relaciones termodinámicas como hipersuperficies en un espacio multidimensional. Luego, los investigadores podrían estudiar qué sucede a medida que se realizan varias operaciones, en este caso, utilizando la transformación de Legendre. Esta transformación describe cómo una superficie se mapea en un objeto geométrico diferente con un significado termodinámico significativo.

“Los resultados se obtuvieron únicamente sobre la base de la segunda ley de la termodinámica de que la entropía total debe aumentar. Debido a esto, no se requirieron suposiciones de un gas ideal u otras simplificaciones sobre los tipos de interacciones en el sistema”, dice el primer autor. Yuki Sughiyama. Ser capaz de calcular la tasa de producción de entropía puede ser vital para evaluar los sistemas biofísicos. Esta investigación puede ayudar a poner el estudio de la termodinámica de los sistemas vivos sobre una base teórica más sólida, lo que puede mejorar nuestra comprensión de la reproducción biológica.

Los artículos están publicados en Physical Review Research como "Estructura geométrica hessiana de sistemas termodinámicos químicos con restricciones estequiométricas" y "Termodinámica química para sistemas en crecimiento". + Explora más

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