&bala; Física 17, 162
Um modelo teórico mostra que a troca de informações desempenha um papel basic nas máquinas moleculares encontradas nas células biológicas.
As máquinas moleculares desempenham funções mecânicas em células, como locomoção e montagem química, mas esses “pequenos motores” não operam sob os mesmos princípios de design termodinâmico dos motores mais tradicionais. Um novo modelo teórico relaciona motores térmicos em escala molecular com motores de informação, que são sistemas que utilizam informações para gerar trabalho, como o famoso “demônio de Maxwell” (1). Os resultados sugerem que um fluxo de informação está no coração das máquinas moleculares e de motores térmicos maiores, como os dispositivos termoelétricos.
A máquina prototípica é uma máquina a vapor, na qual o trabalho é produzido por um fluido exposto a um ciclo de temperaturas quentes e frias. Mas existem outros projetos de motor, como o motor bipartido, que possui duas partes separadas mantidas em temperaturas diferentes. Este design é semelhante ao de algumas máquinas moleculares, como o motor cinesina, que transporta “carga molecular” através das células biológicas. “Motores térmicos bipartidos são comuns em biologia e engenharia, mas na verdade não foram estudados através de lentes termodinâmicas”, diz Matthew Leighton, da Universidade Simon Fraser (SFU), no Canadá. Ele e seus colegas analisaram agora motores térmicos bipartidos de uma forma que revela uma conexão com motores de informação.
Um mecanismo que funciona com base em informações pode parecer absurdo. Na verdade, a ideia vem do demônio de Maxwell, um pequeno personagem de um experimento psychological do século XIX que consegue separar moléculas quentes de moléculas frias em um gás. À primeira vista, tal classificação violaria a segunda lei da termodinâmica porque reduziria a entropia (menor desordem) sem gastar energia. Na realidade, não ocorre nenhuma violação; uma contabilidade cuidadosa revela que a coleta de informações do demônio exige um custo oculto de trabalho. Esta ideia estabelece uma ligação basic entre informação e energia.
Motivados por este experimento psychological, os pesquisadores construíram dispositivos que extraem energia de um sistema térmico usando observações demoníacas de flutuações térmicas (ver Ponto de Vista: Exorcizando o Demônio de Maxwell). Mas se as máquinas movidas a informação existem “no mundo actual” fora do laboratório permanece uma questão em aberto, diz David Sivak, membro da equipe, da SFU. Os pesquisadores acreditam que agora mostraram tal manifestação em motores térmicos bipartidos.
Eles começaram elaborando a termodinâmica de uma máquina térmica bipartida. Eles rotularam as duas partes do motor X e Scom X em contato com um reservatório quente e S em contato com um reservatório frio. O calor flui para X e fora Se cada parte experimenta uma perda ou ganho contínuo de entropia associada ao fluxo de calor.
Para que o motor produza energia na forma de trabalho, os pesquisadores mostraram que deve haver um tipo explicit de troca de entropia entre X e Sconhecido como fluxo de informações. A informação aqui é uma correlação entre os possíveis estados microscópicos de X e S. Esta correlação é zero se os estados de X e S são totalmente independentes, mas se, por exemplo, você puder determinar Xestado de medindo Sentão a correlação não é zero. A partir deste modelo, os investigadores derivaram uma desigualdade – semelhante à segunda lei da termodinâmica – que expressa o trabalho produzido pelo motor em termos de um fluxo de informação entre X e S.
Sivak admite que um fluxo de informação em uma máquina térmica parece contra-intuitivo. “A imagem mais convencional é aquela com um fluxo de energia entre subsistemas, que você pode imaginar como um pistão sendo empurrado ou uma engrenagem sendo girada”, diz ele. Mas a análise da equipe da máquina térmica bipartida mostra que tal ação mecânica não é suficiente para produzir trabalho. Também deve haver troca de informações.
Os pesquisadores aplicam sua estrutura de mecanismo de informação a vários exemplos de motores térmicos bipartidos, como o fotossistema II, uma máquina molecular que coleta a luz photo voltaic para a divisão de moléculas de água nas células vegetais.2). A máquina pode ser dividida em duas partes: uma parte que está em contato com um reservatório efetivamente quente de fótons do Sol e outra parte que está em contato com um reservatório efetivamente frio da célula circundante. De acordo com a teoria deles, a informação deveria fluir entre essas duas partes a uma taxa não inferior a 2.000 bits por segundo.
Os pesquisadores não sabem que tipo de informação flui entre as duas partes da molécula. Leighton especula que poderia haver uma correlação entre os estados de absorção de fótons e os estados de reação química dentro da máquina. A equipe explorou essa possibilidade usando um modelo simplificado dos estados eletrônicos e químicos do fotossistema II, encontrando evidências de troca de informações nas estatísticas populacionais calculadas dos estados.
A estrutura do motor de informação pode estender-se para além das máquinas moleculares, uma vez que o design bipartido também se aplica a dispositivos termoelétricos, que convertem uma diferença de temperatura numa diferença de tensão. A equipe prevê que está ocorrendo um fluxo de informações dentro desses dispositivos, presumivelmente na forma de correlações entre flutuações de tensão e corrente.
Os investigadores defendem de forma convincente que o seu modelo se aplica a uma infinidade de máquinas biológicas e de fabrico humano, afirma Édgar Roldán, especialista em motores de informação do Centro Internacional Abdus Salam de Física Teórica, em Itália. A nova estrutura permitirá que outros pesquisadores infiram a quantidade mínima de transmissão de informações necessária por unidade de tempo entre os diferentes subsistemas de uma máquina molecular, diz ele, que é “a aplicação mais importante deste trabalho”.
–Michael Schirber
Michael Schirber é editor correspondente da Revista Física com sede em Lyon, França.
Referências
- Deputado Leighton e outros.“arbitragem de informações em motores térmicos bipartidos,” Física. Rev. 14041038 (2024).
- J. Barber, “O motor da vida: Fotossistema II,” Bioquímica (Londres) 287 (2006).
