Naukowcy z King’s College London skonstruowali najmniejszy silnik, jaki kiedykolwiek udało się zbudować. Składa się z jednej mikroskopijnej cząstki, zawieszonej w próżni i kontrolowanej polami elektrycznymi. W trakcie pracy osiąga temperaturę sięgającą dziesięciu milionów stopni Celsjusza — wartości wyższe niż na powierzchni Słońca oraz wjego sferze zewnętrznej, koronie. Rekordowa temperatura to jednak tylko efekt uboczny: bo niesamowite jest to, jak silnik obchodzi się z energią.
Układ oparto na pułapce Paula — urządzeniu podtrzymującym w powietrzu naładowany mikroobiekt za pomocą oscylujących pól elektrycznych. Cząstka znajduje się w niemal doskonałej próżni, odcięta od wpływu otoczenia. Badacze dostarczają jej energię poprzez celowo generowany, losowy sygnał elektryczny. Takowy „szum” powoduje intensywne drgania i gwałtowne nagrzewanie.
Każde uruchomienie silnika prowadzi jednak do innego przebiegu zachowania cząstki. Zdarza się, że mimo dostarczenia energii temperatura maleje. To zjawisko sprzeczne z regułami termodynamiki, przynajmniej w klasycznym rozumieniu, z którym oswaja się studentów fizyki. W dużych układach statystyka skutecznie zaciera pojedyncze anomalie. W mikroskali nie ma natomiast „średniej”, do której wszystko się zbiega. Jedna cząstka podlega ciągłym fluktuacjom, a jej odpowiedź na energię bywa nieprzewidywalna. W skrócie: napędza ją chaos, losowość.
Termodynamika stochastyczna
Tego typu eksperymenty należą do działu fizyki nazywanego termodynamiką stochastyczną. Opisuje ona, jak ciepło i praca przepływają w układach złożonych z pojedynczych elementów. Prawa znane z silników parowych czy samochodów nadal obowiązują, ale wyłącznie wtedy, gdy patrzymy na całą statystykę wyników.
W skali jednej cząstki energia może zachowywać się chwilowo zupełnie nieintuicyjnie. Wysoka temperatura nie musi oznaczać większej pracy, a zwiększenie energii wejściowej może prowadzić do tymczasowego ochłodzenia. Fizycznie jest to dopuszczalne: losowy charakter procesów dominuje nad uporządkowaniem znanym z makroświata. Badacze podkreślają przy tym, że takie obserwacje mogą doprowadzić do zrewidowania sposobu patrzenia na struktury energetyczne, które przez dekady wydawały się definitywnie opisane.
Biologia działa w tej samej skali
Pojedyncza cząstka w próżni brzmi jak eksperyment kompletnie oderwany od rzeczywistości, ale to właśnie w takiej skali funkcjonuje życie. Wewnątrz komórek działają molekularne maszyny, które również muszą radzić sobie z chaotycznym środowiskiem i fluktuacjami energii.
Najbardziej oczywistym przykładem są białka. Tworzą je łańcuchy aminokwasów, które muszą zwinąć się w precyzyjne trójwymiarowe kształty. Jeśli w trakcie tego procesu pojawi się błąd, dochodzi do groźnych konsekwencji biologicznych: odkładania się agregatów białkowych i rozwoju chorób neurodegeneracyjnych — od Alzheimera po Parkinsona. Z tymi chorobami — na razie — walczyć nie potrafimy.
Symulowanie składania białek w komputerze jest ogromnym wyzwaniem. Pojedyncze atomy zmieniają położenie w nanosekundach, a cały proces może trwać tysiące razy dłużej. Konieczność przeliczania ruchów dla każdej cząstki wymaga niewyobrażalnej mocy obliczeniowej.
Fizyczny komputer do modelowania składania białek
Silnik stochastyczny może pomóc ominąć ten problem. Zamiast godzić się na skróty obliczeniowe lub analizować tylko wynik końcowy, można potraktować cząstkę w pułapce jako analog białka i obserwować cały proces jego „zachowania”. Losowy sygnał elektryczny odgrywa rolę środowiska biologicznego — pełnego nieuporządkowanych impulsów energetycznych.
To podejście ma umożliwić analizowanie nie tylko finałowej struktury, ale także błędów po drodze, które prowadzą do misfoldingu, czyli nieprawidłowego zwinęcia / skonformowania łańcucha. Dla biologii i farmakologii może to mieć niesamowite znaczenie. Określenie momentów krytycznych w składaniu białek to potencjalna droga do projektowania terapii precyzyjnych, zanim szkody w ogóle wystąpią.
Czytaj również: Ciemna energia słabnie? Naukowcy zaskakują
Otwieranie nowej epoki badań energii
Silniki parowe pomogły zdefiniować prawa termodynamiki i stworzyły podstawy dla nowoczesnej fizyki. Natomiast mikrosilniki rozszerzają te prawa na reżim pojedynczych cząstek. Dla nauki to przejście z pewności w stronę statystyki i fluktuacji. Przed nami więc jest możliwość lepszego projektowania systemów, które działają tam, gdzie chaos jest podstawowym elementem istnienia.
