Révéler les lois scientifiques qui régissent notre monde est souvent considéré comme le « Saint Graal » par les scientifiques, car de telles découvertes ont de vastes implications. Dans un développement passionnant du Japon, des scientifiques ont montré comment utiliser des représentations géométriques pour coder les lois de la thermodynamique et appliquer ces représentations pour obtenir des prédictions généralisées. Ce travail peut considérablement améliorer notre compréhension des limites théoriques qui s'appliquent en chimie et en biologie.

Alors que les systèmes vivants sont liés par les lois de la physique, ils trouvent souvent des moyens créatifs de tirer parti de ces règles d'une manière que les systèmes physiques non vivants peuvent rarement. Par exemple, chaque organisme vivant trouve un moyen de se reproduire. À un niveau fondamental, cela repose sur des cycles autocatalytiques dans lesquels une certaine molécule peut stimuler la production de molécules identiques, ou un ensemble de molécules se produisent les unes les autres. Dans ce cadre, le compartiment dans lequel les molécules existent croît en volume. Cependant, les connaissances scientifiques manquent d'une représentation thermodynamique complète de ces processus d'auto-réplication, ce qui permettrait aux scientifiques de comprendre comment des systèmes vivants peuvent émerger d'objets non vivants.

Maintenant, dans deux articles connexes publiés dans Physical Review Research , des chercheurs de l'Institut des sciences industrielles de l'Université de Tokyo ont utilisé une technique géométrique pour caractériser les conditions qui correspondent à la croissance d'un système auto-reproducteur. Le principe directeur est la fameuse deuxième loi de la thermodynamique, qui veut que l'entropie - généralement entendue comme le désordre - ne puisse qu'augmenter. Cependant, une augmentation de l'ordre peut être possible, comme une bactérie absorbant des nutriments pour lui permettre de se diviser en deux bactéries, mais au prix d'une entropie accrue ailleurs. "L'auto-réplication est une caractéristique des systèmes vivants, et notre théorie aide à expliquer les conditions environnementales pour déterminer leur destin, qu'il s'agisse de croissance, de diminution ou d'équilibre", explique l'auteur principal Tetsuya J. Kobayashi.

L'idée principale était de représenter les relations thermodynamiques comme des hypersurfaces dans un espace multidimensionnel. Ensuite, les chercheurs pourraient étudier ce qui se passe lors de la réalisation de diverses opérations, en l'occurrence en utilisant la transformation de Legendre. Cette transformation décrit comment une surface doit être cartographiée dans un objet géométrique différent avec une signification thermodynamique significative.

"Les résultats ont été obtenus uniquement sur la base de la deuxième loi de la thermodynamique selon laquelle l'entropie totale doit augmenter. Pour cette raison, les hypothèses d'un gaz parfait ou d'autres simplifications sur les types d'interactions dans le système n'étaient pas nécessaires", déclare le premier auteur. Yuki Sughiyama. Être capable de calculer le taux de production d'entropie peut être vital pour évaluer les systèmes biophysiques. Cette recherche peut aider à donner à l'étude de la thermodynamique des systèmes vivants une base théorique plus solide, ce qui peut améliorer notre compréhension de la reproduction biologique.

Les articles sont publiés dans Physical Review Research comme "Structure géométrique hessienne des systèmes thermodynamiques chimiques avec contraintes stoechiométriques" et "Thermodynamique chimique pour les systèmes de croissance". + Explorer plus loin

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