Revelar as leis científicas que governam nosso mundo é muitas vezes considerado o "santo graal" pelos cientistas, pois tais descobertas têm amplas implicações. Em um desenvolvimento emocionante do Japão, os cientistas mostraram como usar representações geométricas para codificar as leis da termodinâmica e aplicar essas representações para obter previsões generalizadas. Este trabalho pode melhorar significativamente nossa compreensão dos limites teóricos que se aplicam à química e à biologia.
Embora os sistemas vivos estejam vinculados às leis da física, eles geralmente encontram maneiras criativas de tirar proveito dessas regras de maneiras que os sistemas físicos não vivos raramente conseguem. Por exemplo, todo organismo vivo encontra uma maneira de se reproduzir. Em um nível fundamental, isso depende de ciclos autocatalíticos nos quais uma determinada molécula pode estimular a produção de moléculas idênticas, ou um conjunto de moléculas produz umas às outras. Como parte disso, o compartimento no qual as moléculas existem cresce em volume. No entanto, o conhecimento científico carece de uma representação termodinâmica completa de tais processos auto-replicantes, o que permitiria aos cientistas entender como os sistemas vivos podem emergir de objetos não vivos.

Agora, em dois artigos relacionados publicados na Physical Review Research , pesquisadores do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio usaram uma técnica geométrica para caracterizar as condições que correspondem ao crescimento de um sistema auto-reprodutivo. O princípio orientador é a famosa segunda lei da termodinâmica, que exige que a entropia - geralmente entendida como desordem - só pode aumentar. No entanto, um aumento na ordem pode ser possível, como uma bactéria absorvendo nutrientes para permitir que ela se divida em duas bactérias, mas ao custo de entropia aumentada em outro lugar. "A auto-replicação é uma marca registrada dos sistemas vivos, e nossa teoria ajuda a explicar as condições ambientais para determinar seu destino, seja crescendo, encolhendo ou equilibrando", diz o autor sênior Tetsuya J. Kobayashi.

O principal insight foi representar as relações termodinâmicas como hipersuperfícies em um espaço multidimensional. Então, os pesquisadores poderiam estudar o que acontece à medida que várias operações são realizadas, neste caso, usando a transformação de Legendre. Essa transformação descreve como uma superfície deve ser mapeada em um objeto geométrico diferente com um significado termodinâmico significativo.

"Os resultados foram obtidos apenas com base na segunda lei da termodinâmica de que a entropia total deve aumentar. Por isso, não foram necessárias suposições de um gás ideal ou outras simplificações sobre os tipos de interações no sistema", diz o primeiro autor Yuki Sugiyama. Ser capaz de calcular a taxa de produção de entropia pode ser vital para avaliar sistemas biofísicos. Esta pesquisa pode ajudar a colocar o estudo da termodinâmica dos sistemas vivos em uma base teórica mais sólida, o que pode melhorar nossa compreensão da reprodução biológica.

Os artigos são publicados em Physical Review Research como "Estrutura geométrica hessiana de sistemas termodinâmicos químicos com restrições estequiométricas" e "Termodinâmica química para sistemas em crescimento". + Explorar mais

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