Termodinamica virușilor: demoni și informații

Virusușii sunt extrem de abundenți, incredibil de diverși, și călătoresc prin timp și spațiu ca informație. Această relație între viruși și informații este cheia succesului lor, dar ce înseamnă „informație”? În sensul comunicării, informația este o măsură a „surprinzei” . Cu cât este mai mare surpriza la observarea unui obiect, cu atât mai multe informații conține acesta. Aurul conține mai multe informații decât hidrogenul (de exemplu, este mai surprinzător să găsești aur). Având în vedere acest concept mai profund, devine clar că informația este de fapt o contabilizare a poziției în univers. Adică, aurul este creat prin comprimarea protonilor, neutronilor și electronilor împreună în spațiu și timp. Pe măsură ce aceste particule se leagă împreună, se pierd grade de libertate și se creează un eveniment extrem de puțin probabil și, prin urmare, un eveniment extrem de informativ. Această organizare a materiei este timp, iar spațiul este informație fizică.

Informațiile fizice nu vin gratuit. Consecința termodinamică a informațiilor fizice a fost definită matematic de Rolf Landauer, care a calculat că energia minimă (E) stocată într-un bit de informație era egală cu kTln(2), unde k = constanta lui Boltzmann și T = temperatura în Kelvin. Căldura eliberată prin ștergerea informațiilor fizice poate fi imaginată cel mai bine invocând Demonul lui Maxwell. Prezentat inițial ca o provocare a celei de-a doua legi a termodinamicii, Demonul este o creatură ipotetică, care poate culege moleculele „fierbinți” dintr-un recipient și le poate muta în altul. Acest lucru creează un diferențial de temperatură, care ar putea fi folosit pentru a conduce un fel de motor. Deci, cu demonul potrivit, putem crea o mașină de mișcare perpetuă. Leo Szilard a arătat că motivul pentru care acest lucru nu se întâmplă este că Demonul câștigă de fapt informații despre poziția relativă a moleculelor. Această realizare a ucis mașina de mișcare perpetuă și provocarea lui Maxwell față de a doua lege a termodinamicii.

Acum, luați în considerare un Demon al lui Maxwell într-un sistem biochimic (vezi figura). La o anumită temperatură, moleculele reactante „A” au viteze diferite, așa descrise de distribuția lui Boltzmann. Cele mai rapide / mai fierbinți molecule „A” se află pe partea dreaptă a distribuției. În scopurile noastre, moleculele de deasupra energiei de activare (EA) sunt cele cu viteză suficientă pentru a fi active într-o reacție chimică. Acum imaginați-vă un Demon al lui Maxwell care alege selectiv molecule „A” din populația EA și le trece la un al doilea rezervor de reactanți „B”. Acest lucru creează produsul și captează în mod eficient ambele molecule din produsul „AB”. Procedând astfel, demonul a mărit informațiile sistemului. Când „AB” se degradează în componentele sale, „A” va intra din nou în populația inițială și o va încălzi. Această creștere a temperaturii este descrisă de Principiul Landauer.

(Ilustrația demonului lui Maxwell și principiul lui Landauer. Demonul / enzima alege selectiv molecule „A” cu suficientă energie pentru a reacționa cu reactantul „B”, ceea ce duce la produsul „AB”. Acest proces răcește ușor populația „A”. Această pierdere de căldură este readusă în sistem de Universul înconjurător. În timpul degradării / ștergerii „AB”, „A” revine în populația sa și această căldură poate fi măsurată folosind metode precum calorimetria izotermă)

Propunem ca biologia să se comporte ca Demonul lui Maxwell, unde demonii sunt enzime care apucă selectiv moleculele EA pentru a forma produse. Aceasta creează informații fizice, care pot fi folosite pentru a lucra. Singurul avertisment la această schemă de lucru despre informații este că necesită sisteme elaborate, cum ar fi un computer. Sugerăm că informațiile genetice sunt setul de instrucțiuni pentru construirea sistemului pentru Demonii lui Maxwell, astfel încât să convertească diferite tipuri de informații fizice în mai multe cazuri de sine. Aceste noi informații au un cost termodinamic atunci când sunt șterse și cantitatea de căldură degajată prin distrugerea informațiilor este descrisă și de Principiul Landauer. Ar trebui să fie posibil să se observe legătura dintre informațiile fizice și termodinamică și să se folosească pentru a înțelege mai bine biologia și, în special, succesul virușilor.

Informații virale versus informații fizice

Să comparăm și să contrastăm informațiile fizice și virale. Gravitația organizează proprietățile fizice ale universului. Gravitația modifică materia, ceea ce sporește importanța celorlalte trei interacțiuni fundamentale. Prin organizarea materiei în timp și spațiu, gravitația creează informații fizice. Norul de particule subatomice din Big Bang s-ar fi putut răspândi uniform în tot universul. În schimb, imperfecțiunile mici au permis gravitației să atragă unele particule împreună; iar acestea au atras pe altele. Discurile de acumulare s-au dezvoltat și s-au prăbușit în stele, unde gravitația a fuzionat materia formând elemente mai grele și a dus la producerea radiației electromagnetice. Aceste procese cresc conținutul informațiilor fizice din univers prin procese strict fizice (vezi figura, a)). Gravitația crește – lucrurile mai mari atrag mai multe obiecte, creând o buclă de feedback pozitivă. De asemenea, biologia se dezvoltă prin organizarea compușilor și concentrarea lor. La fel ca gravitația, viața creează organizarea particulelor în univers prin juxtapunere și rearanjare. Organizarea materiei de către biologie conduce la informații virale, deoarece convertește informațiile fizice în sine cu prețul eficienței maxime din punct de vedere termodinamic.

(De la gravitație la informații virale: de la praf la fag. a) Schemă a modului în care gravitația duce la informații virale. b) Schema modului în care virușii modelează ecologia (1-3) și evoluția (3), ducând la diversificare și la creșterea informațiilor virale (4)

Sursa: Viral information, Forest Rohwer, Katie Barott- Biol Philos. 2013 Mar; 28(2): 283–297. Published online 2012 Oct 31. doi: 10.1007/s10539-012-9344-0, PMCID: PMC3585991