假設的物理學“惡魔”可能潛伏在我們的細胞內

早在 1867 年，為了測試他對新興科學的看法熱力學物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋想象一個聰明的“惡魔”根據能量在兩個容器之間分揀分子。

在 2023 年，可能已經發現了麥克斯韋虛構惡魔的一個不那么惡魔的版本。

根據瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）研究人員的一項新研究，嵌入細胞膜中的蛋白質稱為ATP 結合盒 （ABC） 轉運蛋白具有呼應麥克斯韋惡魔的特征，允許它們對基材進行分類。

事實上，這些ABC轉運蛋白已經存在了數十億年，幾乎可以在每個生物體中找到。更重要的是，它們適合天然熱力學定律.

事實證明，麥克斯韋在不知不覺中描述了生命的基石的一個基本方面。

“我們證明ABC是真正的麥克斯韋惡魔，”說Paolo De Los Rios，EPFL統計生物物理學實驗室主任。

“麥克斯韋惡魔的測量，反饋和重置步驟，對能量的需求以及信息熱力學方面的描述都是該模型的新興特征。

麥克斯韋描述的惡魔控制著兩個氣體容器之間的一扇門，允許高能分子向一個方向移動，而較冷的分子向另一個方向移動，無視平衡，否則平衡會均勻它們的分布。

作為系統的一部分（以及神奇的小惡魔，他自己不依賴能量），惡魔會從產生的能量中產生能量溫差從絕對沒有。

答案是肯定的熱力學定律 能量實際上不可能無中生有，因為需要工作來測量和記住粒子速度。

然而，像麥克斯韋盒子中的不同溫度這樣的差異在自然界中經常出現，例如細胞內外的不同分子濃度。

科學家有既往疑似像麥克斯韋惡魔這樣的東西可能參與了與自然濃度梯度流一起運輸分子的能量密集型過程。但這是第一次以讓人想起麥克斯韋著名的思想實驗的方式描述和建模這樣一個系統的信息框架。

研究人員提出，細胞膜上的ABC轉運蛋白以與麥克斯韋惡魔相同的方式控制分子流動，使用來自ATP（三磷酸腺苷）分子為該過程提供動力。

然后，轉運蛋白的生化結構根據被轉運分子的位置進行測量、反饋和重置，如上圖所示。

這是一個重要的發現，因為它教會了我們更多關于細胞如何能夠調節其環境和功能的知識。因為他們需要，通過管理分子的導入和導出，就像細胞門口的小惡魔一樣。

雖然研究人員確實做了一些簡化，以使他們的計算工作，但他們相信他們在研究論文中概述的內容可以應用于更復雜的系統 - 本質上廣泛的系統。

“這種方法是理解這些系統原本復雜的生化回路的有用概念框架，”寫研究人員在他們發表的論文中。

該研究已發表在通信物理.

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