(PhysOrg.com) - Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nimmt die Entropie immer zu. Zum Beispiel mischen sich zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen, wenn sie miteinander in Kontakt gebracht werden, um eine einheitliche Temperatur zu ergeben.

Aber, wie der Physiker James Clerk Maxwell im Jahr 1871 vorschlug, was würde passieren, wenn ein theoretischer Dämon an einer Tür zwischen den beiden Körpern stehen und nur Hochtemperaturteilchen durch einen Weg und nur Niedertemperaturteilchen durchlassen könnte durch den anderen gehen? Der winzige Portier würde verhindern, dass sich die beiden Temperaturen vermischen, und theoretisch die Entropie verhindern. Natürlich würde der Dämon Energie verwenden, um diese Arbeit zu erledigen, wodurch Entropie selbst erzeugt würde, und so würde das zweite Gesetz nicht verletzt.

Während Maxwells Dämon ursprünglich als Gedankenexperiment galt, wurden ähnliche Mechanismen für verschiedene Anwendungen entdeckt. Ein Beispiel ist ein Ranque-Hilsch-Wirbelrohr, ein pneumatisches Gerät, das heiße und kalte Luft durch Drehen heißer und kalter Moleküle in verschiedene Richtungen trennt.

Eine kürzlich durchgeführte Studie zeigt, dass ein ähnlicher Mechanismus einen Motorschalter im Bakterium Escherichia coli antreibt und möglicherweise für viele andere Signalsysteme in der Biologie verantwortlich ist. Der Forscher Yuhai Tu vom IBM TJ Watson-Forschungszentrum in Yorktown Heights, New York, erklärt in einer aktuellen Ausgabe der Proceedings der National Academy of Sciences, wie die Maxwell-Dämonen von E. coli funktionieren .

"Es gibt zwei verwandte Beiträge in diesem Artikel", sagte Tu gegenüber PhysOrg.com. „Erstens ein allgemeiner Ungleichgewichtsmechanismus für einen hochempfindlichen Schalter (dh wie Maxwells Dämonen verwendet werden können, um die Empfindlichkeit zu erhöhen). Zweitens ein allgemeines Ergebnis der Verweilzeitstatistik (wie lange ein System in einem bestimmten Zustand bleiben sollte, bevor es in einen anderen Zustand wechselt). Dieses Ergebnis kann als Diagnosewerkzeug verwendet werden, um das Vorhandensein dieser Dämonen (oder Ungleichgewichtseffekte) in einem unbekannten System festzustellen. “

Das Bakterium enthält Flagellenmotoren, die seine Bewegung antreiben. Ein Flagellenmotor hat einen Schalter (ein Schaltgetriebe), dessen Aufgabe es ist, die Konzentration eines Reglers mit der Bezeichnung CheY-P zu erfassen und die Drehrichtung des Motors entsprechend entweder im Uhrzeigersinn (CW) oder gegen den Uhrzeigersinn (CCW) zu steuern.

"Der Zweck des CW- und CCW-Schalters besteht darin, die Bewegung der Zelle zu steuern", sagte Tu. „Der CheY-P-Pegel ist das Signal (rotes / gelbes / grünes Licht), das den Schalter beeinflusst (Stop / Slow / Move). In einem sehr losen Sinne führt CCW zur Bewegung und CW zur Schaltrichtung. Die Bakterienzelle muss diese beiden Arten von Bewegungen kontrollieren, um in eine (nicht) günstige (toxische) Umgebung zu gelangen. “

Herkömmlicherweise wurde angenommen, dass der Schaltmechanismus im Gleichgewicht arbeitet, wobei der Schalter in ausgeglichener Weise zwischen Motorumdrehungen im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn wechselt. Ein früheres Experiment hat gezeigt, dass das Zeitintervall, das ein Flaglear-Motor in einem bestimmten Zustand (entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) verbringt, einer Spitzenverteilung folgt. Basierend auf der Arbeit von Tu zeigt diese maximale Intervallzeitverteilung an, dass der Schalter aus dem Gleichgewicht gerät.

Um dieses schnelle und genaue Umschalten zu erreichen, muss der Schalter extrem empfindlich gegenüber der CheY-P-Konzentration sein. Im Nichtgleichgewichtsmodell zeigt Tu, dass diese hohe Empfindlichkeit durch die Anwesenheit von zwei Maxwell-Dämonen erklärt werden kann, die als Sensoren des Schalters für den CheY-P fungieren.

"Der einfachste Weg, die Arbeit dieser beiden Maxwell-Dämonen zu erklären, ist, dass es sich um zwei Zufallszähler handelt", sagte er. „An jeden Schalter können sich bis zu 34 CheY-P-Regler binden. Einer der Dämonen zählt die Anzahl der gebundenen CheY-P und schaltet den Motor von CCW auf CW um, wenn die Anzahl einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, z. B. 22. Ein anderer Dämon arbeitet umgekehrt mit einer niedrigen Schwelle, z. B. 12. Wenn die Anzahl der gebundenen CheY-P weniger als 12 beträgt, schaltet dieser Dämon den Motor von CW nach CCW. “

Diese „Dämonen“ verbrauchen nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik Energie, um ihre Arbeit zu verrichten. Je mehr Energie die Dämonen verbrauchen, desto empfindlicher ist der Schalter. Tu bestimmte die exakte Menge an Energie, die pro Schaltzyklus verbraucht wurde, und stellte fest, dass sie in etwa der Arbeit von ein oder zwei Protonen entspricht, die sich in der Nähe des Flagellenmotors durch die Membran bewegen. Basierend auf diesem Befund sagt er voraus, dass der Schalter von Protonen angetrieben wird, die durch die Membran laufen. Diese Möglichkeit würde mit früheren Beobachtungen übereinstimmen, dass die durchschnittliche Schaltfrequenz vom Protonenfluss abhängt.

Wie Tu erklärt, könnte die Betrachtung des Flagellenmotorschalters im Rahmen eines Nichtgleichgewichtsmodells den Wissenschaftlern helfen, den Schaltmechanismus als integrierten Bestandteil des Motorsystems zu verstehen. In der Biologie arbeiten viele Systeme aus dem Gleichgewicht, und das Tu-Modell könnte Wissenschaftlern helfen, interessante Nichtgleichgewichtseffekte zu entdecken. Neben dem Flagellenmotor prognostiziert er, dass ein ähnlicher Ungleichgewichtsmechanismus, der von Maxwells Dämonen angetrieben wird, für eine Vielzahl anderer zellulärer Prozesse verantwortlich sein könnte.

Weitere Informationen: Tu, Yuhai. "Der Nichtgleichgewichtsmechanismus für die Ultraschallempfindlichkeit in einem biologischen Schalter: Wahrnehmung durch Maxwells Dämonen." PNAS, 19. August 2008, vol. 105, nein. 33, 11737 & ndash; 11741.

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