JE, SELI INAWEZA KWELI KUPATA JOTO KWA NYUZI KADHAA?

Kupima joto ndani ya seli moja hai kumewezekana kwa takriban miaka kumi na tano tu, kwa mujibu wa makala. Na kumezaa fumbo. Kazi nyingi zinazoongezeka zinaripoti joto ndani ya seli takriban kelvin 1 hadi 10 juu ya mazingira yao; utafiti mmoja uliotajwa una kichwa “Mitochondria are physiologically maintained at close to 50 °C”. Lakini makadirio yanayotegemea kiasi cha joto ambacho seli huzalisha kwa kweli, na upitishaji wa kawaida wa joto, yanatabiri tofauti chini ya elfu moja ya nyuzi.

Kasoro za vipimo zinazojulikana (artefacts) haziwezi kueleza kwa urahisi kwa nini vipimajoto kadhaa vya nano vinavyotofautiana kifizikia na kikemia vinatoa matokeo yanayofanana. Marekebisho ya upitishaji wa joto katika vipimo vidogo bado ni madogo mno kuziba pengo la ngazi kadhaa za ukubwa.

Angalia kipimajoto, si chanzo

Majaribio mengi ya kutatua fumbo hili yanalenga chanzo cha joto: ukubwa wa mitokondria, umbo lake, muundo wake na umbali wake kutoka kwa kihisi, vyote vikiwa vigumu kubainisha. Taras Plakhotnik (Chuo Kikuu cha Queensland) anageuza tatizo.

Chanzo bora cha joto cha nukta moja, kinadharia, kingefikia joto lisilo na kikomo. Lakini hakuna kipimajoto halisi kinachopima nukta: kina ujazo wa kupimia joto wenye kikomo, na kile kinachoripoti ni wastani katika ujazo huo. Anabainisha kwamba kihisi kwa kawaida kinajulikana sifa zake vizuri zaidi kuliko chanzo cha kibiolojia.

Kwa hiyo anauliza: kikiwekwa popote ndani ya eneo linalozalisha jumla ya joto inayojulikana, kihisi chenye ujazo fulani kinaweza kupata joto kiasi gani zaidi kabisa, katika hali tulivu?

Kikomo chenye viambato vitatu

Akitumia sheria ya Fourier ya upitishaji joto na kanuni mbili za kawaida za kutolingana (inequalities) za jiometri na uchanganuzi pekee, anapata nadharia-thibitisho ya joto la juu kabisa:

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

ambapo Q ni jumla ya nguvu ya joto inayozalishwa, κ ni kikomo cha chini cha upitishaji joto na V ni ujazo wa kihisi. Hakuna kingine kinachoingia: si mahali joto linapotoka, si jinsi linavyosambaa, wala si umbali kihisi kilipo.

Kwa seli ya kawaida ya mamalia inayokuzwa maabara, makala inachukua utoaji halisi wa joto wa pikowati 50, upitishaji joto wa wati 0.1 kwa mita kwa kelvin, katika kiwango cha chini cha thamani zilizoripotiwa kwa seli, na kihisi cha mita za ujazo 10⁻²², takriban tufe lenye kipenyo cha nanomita 60. Ongezeko la juu kabisa linalowezekana la joto: takriban milikelvin 2.

Kikomo hiki ni kamili: kinafikiwa wakati chanzo cha joto cha umbo la tufe kimezungushiwa kihisi chenye umbo la ganda. Hata katika mpangilio huo unaofaa zaidi, ongezeko la kelvin 1 lingehitaji angalau nanowati 25, mara mia tano zaidi ya utoaji uliopimwa wa seli. Badala yake, kama joto lingesambaa sawasawa katika ujazo wa ukubwa wa seli, kikomo kingeshuka hadi takriban mikrokelvin 2.

Vipi kuhusu athari zinazozalisha joto na zinazofyonza joto kufutana? Kalorimetria hupima utoaji halisi pekee, ilhali nadharia-thibitisho inahesabu joto lote linalozalishwa. Usomaji wa kelvin 1 huku pikowati 50 tu zikitoka kwenye seli ungehitaji angalau nanowati 25 zitolewe mahali hapo, na karibu kiasi hicho kifyonzwe mahali pengine ndani ya seli ileile.

Tokeo hili linahusu moja kwa moja vihisi vinavyotumika: almasi za nano, chembe za nano za upconversion, chembe za polima zinazoangaza (fluorescent) na nukta za kikwantamu za kiini–ganda (core–shell).

Kipimajoto kinachobaki nyuma

Nadharia-thibitisho inadhani kwamba kihisi chenyewe kiko katika msawazo ndani yake. Ili kuonyesha kwa nini hilo linaweza kushindwa, mwandishi aliiga hifadhi mbili za gesi, moja ya moto na moja ya baridi, zilizotenganishwa na utando nyumbufu. Gesi zilifikia joto la pamoja haraka huku utando ukilegea polepole zaidi, na pengo liliongezeka kadiri utando ulivyokuwa mgumu zaidi. Kitu kidogo kinaweza kubaki nje ya msawazo hata baada ya mazingira yake kutulia, na urekebishaji wa kawaida dhidi ya joto la msawazo usingelifichua hilo.

Fizikia inayokosekana lazima ijifiche wapi

Makala haidai kwamba maeneo ya joto yaliyoripotiwa ni kasoro. Inasema kwamba kama ishara ya kiwango cha kelvin ni ya kijoto kweli, angalau dhana moja ya nadharia-thibitisho lazima ishindwe. Wagombea inaowaorodhesha: nguvu ya ziada inayoingizwa na kipima chenyewe, nishati iliyohifadhiwa kwa muda katika hali zinazodumu muda mrefu, kihisi kisichowahi kufikia msawazo kikamilifu, au badiliko lisilo la kijoto katika kihisi au mazingira yake linaloiga badiliko la joto. Kuzitofautisha, mwandishi anahitimisha, kutahitaji majaribio yanayofuatilia jinsi kipimajoto chenyewe kinavyolegea.