BENARKAH SEL BISA MEMANAS BEBERAPA DERAJAT?

Mengukur suhu di dalam satu sel hidup baru dimungkinkan sekitar lima belas tahun terakhir, menurut makalah ini. Hal itu memunculkan sebuah teka-teki. Makin banyak penelitian melaporkan suhu di dalam sel sekitar 1 hingga 10 kelvin di atas lingkungannya; salah satu studi yang dikutip berjudul “Mitochondria are physiologically maintained at close to 50 °C” (Mitokondria secara fisiologis dipertahankan pada suhu mendekati 50 °C). Namun perkiraan yang didasarkan pada jumlah panas yang benar-benar dihasilkan sel, dan pada konduksi panas biasa, memprediksi selisih kurang dari seperseribu derajat.

Artefak pengukuran yang sudah dikenal tidak mudah menjelaskan mengapa beberapa termometer nano yang berbeda secara fisik dan kimia memberikan hasil serupa. Penyempurnaan teori konduksi panas pada skala kecil masih jauh terlalu kecil untuk menutup jurang beberapa orde besaran.

Lihat termometernya, bukan sumbernya

Sebagian besar upaya memecahkan teka-teki ini berfokus pada sumber panas: ukuran, bentuk, struktur mitokondria, dan jaraknya dari sensor, semuanya sulit dipastikan. Taras Plakhotnik (University of Queensland) membalik masalahnya.

Sumber panas titik yang ideal, secara teori, akan mencapai suhu tak hingga. Tetapi tidak ada termometer nyata yang mengukur sebuah titik: termometer punya volume termometrik yang berhingga, dan yang dilaporkannya adalah rata-rata atas volume itu. Sensornya, catat dia, biasanya jauh lebih dikenal karakteristiknya daripada sumber biologisnya.

Maka ia bertanya: jika diletakkan di mana pun di dalam suatu wilayah yang menghasilkan total panas yang diketahui, seberapa besar sensor dengan volume tertentu dapat memanas, paling banyak, dalam keadaan tunak?

Batas dengan tiga bahan

Hanya dengan hukum Fourier tentang konduksi panas dan dua ketaksamaan klasik dari geometri dan analisis, ia menurunkan sebuah teorema suhu maksimum:

⟨T⟩ − T_ref ≤ 9 Q / (2 (36π)^(2/3) κ V^(1/3))

dengan Q adalah total daya panas yang dihasilkan, κ batas bawah konduktivitas termal, dan V volume sensor. Tidak ada hal lain yang masuk: tidak dari mana panas berasal, tidak bagaimana panas itu tersebar, tidak seberapa jauh sensornya berada.

Untuk sel mamalia kultur yang khas, makalah ini mengambil keluaran panas bersih 50 pikowatt, konduktivitas 0,1 watt per meter per kelvin, di ujung bawah nilai yang dilaporkan untuk sel, dan sensor bervolume 10⁻²² meter kubik, kira-kira bola berdiameter 60 nanometer. Pemanasan maksimum yang mungkin: sekitar 2 milikelvin.

Batas ini tajam: batas ini tercapai ketika sumber panas berbentuk bola dibungkus sensor berbentuk cangkang. Bahkan dalam susunan yang paling menguntungkan itu, kenaikan 1 kelvin akan membutuhkan setidaknya 25 nanowatt, lima ratus kali lebih banyak daripada keluaran sel yang terukur. Jika panas justru tersebar merata di seluruh volume seukuran sel, batasnya turun menjadi sekitar 2 mikrokelvin.

Bagaimana jika reaksi penghasil panas dan reaksi penyerap panas saling meniadakan? Kalorimetri hanya mengukur keluaran bersih, sedangkan teorema itu menghitung seluruh panas yang dihasilkan. Pembacaan 1 kelvin dengan hanya 50 pikowatt yang keluar dari sel berarti butuh setidaknya 25 nanowatt yang dilepaskan secara lokal, dan hampir sebanyak itu pula yang diserap di tempat lain di sel yang sama.

Hasil ini berlaku langsung untuk sensor yang dipakai: nanodiamond, nanopartikel upconversion, partikel polimer berpendar, dan titik kuantum inti–cangkang (core–shell).

Termometer yang tertinggal

Teorema ini mengasumsikan bahwa sensor itu sendiri berada dalam kesetimbangan internal. Untuk menunjukkan mengapa asumsi itu bisa gagal, penulis mensimulasikan dua reservoir gas, satu panas dan satu dingin, yang dipisahkan oleh membran elastis. Gas-gas itu dengan cepat mencapai suhu yang sama, sementara membran berelaksasi jauh lebih lambat, dan selisihnya melebar ketika membran makin kaku. Benda kecil bisa tetap tidak setimbang bahkan ketika lingkungannya sudah tenang, dan kalibrasi standar terhadap suhu kesetimbangan tidak akan mengungkapnya.

Tempat fisika yang hilang harus bersembunyi

Makalah ini tidak mengklaim bahwa titik-titik panas yang dilaporkan adalah artefak. Makalah ini menyatakan bahwa jika sinyal berskala kelvin benar-benar bersifat termal, setidaknya satu asumsi teorema harus gagal. Kandidat yang didaftarnya: daya tambahan yang disuntikkan oleh probe itu sendiri, energi yang tersimpan sementara dalam keadaan berumur panjang, sensor yang tidak pernah sepenuhnya mencapai kesetimbangan, atau perubahan non-termal pada sensor atau lingkungannya yang meniru perubahan suhu. Untuk membedakannya, simpul penulis, dibutuhkan eksperimen yang mengikuti bagaimana termometer itu sendiri berelaksasi.