我们可能需要生命系统的热力学第四定律

热力学物理学，涉及热和熵等量，提供了完善的工具来确定理想化粒子系统距离平衡有多远。但当涉及到生命时，由于其复杂的相互连接的细胞，目前尚不清楚我们目前的一系列热力学定律是否足够——而一组涉及人体细胞的实验可能是创造新定律的第一步。

热力学对生命很重要，因为失去平衡是其关键特性之一。但由于细胞充满了主动消耗能量的分子，因此细胞的状态不同于漂浮在液体中的一串珠子。例如，生物细胞有一个所谓的设定点，这意味着它们的行为就像遵循内部恒温器一样。有一种反馈机制可以将它们带回设定点，从而使它们继续发挥作用。经典热力学可能不容易捕捉到这种行为。

N纳林德 和伊丽莎白·费舍尔·弗里德里希 德国德累斯顿工业大学的博士生希望详细了解生命系统中的不平衡状态与非生命系统中的不平衡状态有何不同。他们使用的是 HeLa 人类细胞，这是一种常用于科学研究的癌细胞系，是在未经一位名叫 Henrietta Lacks 的非洲裔美国妇女同意的情况下采集的。 20世纪50年代。

首先，研究人员使用化学物质阻止细胞分裂，然后用原子力显微镜的尖端探测它们的外膜，它可以与只有几分之一纳米宽的物体精确地相互作用。这使得评估每个细胞膜波动的方式（显微镜尖端摇动的程度）以及当研究人员干扰某些细胞过程（例如中断某些分子的变形或某些蛋白质的运动）时这些波动如何变化变得更加容易。

他们发现，对于这些波动，一种可以解释非生命系统行为的标准热力学“配方”不再完全准确。具体来说，“有效温度”的概念被证明是不精确的。这个想法旨在捕捉类似于我们对当我们通过加热一壶水等系统使其失去平衡时温度如何升高的理解。

但研究人员得出的结论是，对于捕捉生命不平衡程度更有用的量是一种称为“时间反转不对称”的属性。这探讨了给定的生物过程（例如，分子在再次分裂之前反复连接成更大的分子）如果向后而不是向前运行，会在多大程度上有所不同 及时。费舍尔·弗里德里希说，时间反转不对称的存在可能与生物过程服务于生存和增殖等目的这一事实直接相关。

“我们知道，在生物学中，有很多过程实际上依赖于系统失衡，但了解系统失衡的程度实际上很重要，”Chase Broedersz 说 在荷兰阿姆斯特丹自由大学。他说，这项新研究确定了确定这一点的有价值的新工具。

Yair Shokef 表示，这是提高我们对活跃生物系统理解的重要一步 在以色列特拉维夫大学。他说，该团队不仅可以通过实验测量时间反转不对称性，还可以同时测量其他几种非平衡测量，这一事实既新颖又有用。

然而，如果我们想通过热力学原理来理解生命，我们可能需要采取更多步骤。费舍尔-弗里德里希表示，最终该团队希望推导出类似于热力学第四定律的东西，该定律仅适用于过程具有设定点的生命物质。他们已经在致力于识别生理可观察值——在细胞中测量的特定事物——可以从那里开始推导出这样的定律。