我们可能需要一个生命系统的热力学第四定律

热力学的定律并不能准确解释在活细胞中的复杂过程——我们是否需要一个新的定律来准确的测量生命系统失去平衡的方式？

新科学家 By Karmela Padavic-Callaghan

25 November 2025

Physics

在染色体已经分离最后阶段的赫拉（HeLa）细胞。DR MATTHEW DANIELS/SCIENCE PHOTO LIBRARY

热力学的物理学涉及像热和熵一样量，为确定粒子的一个理想化系统离平衡是多远提供完善的工具。但当到生命和它的复杂的相互连接的细胞时我们目前的热力学定律的阵列是足够的是不清楚的——一组涉及人类细胞的实验可能是朝向创造一个新生命的第一步。

热力学对生命是重要的，因为失去平衡是生命的关键属性之一。但因为细胞充满有主动消耗能量的分子，一个细胞的状态与漂浮在液体中的一堆珠子是不同的。例如生物细胞有叫一个设定点的，这意味着它们宛如正在遵循一个内部恒温器一样行为。有一个带它们回到设定点的反馈机制，这让它们保持功能着。正是这种行为可能不容易被经典热力学捕捉。

德国德累斯顿工业大学的纳林德尔（N Narinder）和菲谢尔（Elisabeth Fischer-Friedrich）要获得一个在生命系统中不平衡与非生命系统中的不平衡状态多不同的详细了解。他们用人体细胞赫拉如此做了，这是一系列常被用于科学研究的癌症细胞，被在20世纪50年代中不用一位名叫拉克丝（Henrietta Lacks）的非裔美国妇女同意采集。

首先研究人员使用化学物质来中途停止细胞分裂，然后他们用原子力显微镜的尖端探测了它们的外膜，该显微镜能精确的与仅几分之一纳米宽的物体相互作用。这使来评估其中每个细胞膜的波动方式更容易——显微镜的尖端抖动了多少——以及当研究人员干扰了细胞的一些过程时这些波动变化了多少，诸如中断一些分子的形变或某些蛋白质的运动。

他们发现了对这些波动一个会解释一个非生命系统的行为的标准热力学“配方”不完全的再准确。特别的“有效温度”的想法被证明不精确的。这是一个意味着来捕捉某些类似于我们的当我们通过加热一壶水一样系统失去平衡时温度如何增加的理解的想法。

但研究人员得出捕捉生命的不平衡程度的一个更有用的量是一种叫“时间反转不对称”属性的结论。这探讨到一个给定的生物过程的程度——例如分子在再次分裂之前重复的连接成更大的分子——如果它能在时间中向后而不是向前会不同的。菲谢尔说，时间逆转不对称的存在可能被直接相关到生物过程服务一个诸如生存和增殖的目的。

荷兰阿姆斯特丹自由大学的布罗德茨（Chase Broedersz）说：“我们知道在生物学中有很多过程真的依赖一个系统失去平衡，但来知道一个系统多失去平衡是实际上重要的”。他说这项新研究识别定下这一点的有价值的新工具。

以色列特拉维夫大学的邵克夫（Yair Shokef）说，这是朝向提高我们的活跃生物系统的理解的重要一步。他说该团队不仅实验上可能测量时间反转不对称性还可以同时测量其他几种非平衡性的事实既新颖又有用。

然而，如果我们要通过热力学原理来理解生命我们可能需要采取更多的步骤。菲谢尔说，最终该团队要得出某些类似于一个热力学第四定律的东西，该定律仅应用到有一个设定点过程的生命物质。他们已经正工作在识别生理学可观测的上——在细胞中对测量特定的事物——在哪里得出这样一个可能开始的规律。

期刊参考：Physical Review X DOI: 10.1103/5zyn-kgs3

https://www.newscientist.com/article/2505430-we-may-need-a-fourth-law-of-thermodynamics-for-living-systems/