BİR HÜCRE GERÇEKTEN BİRKAÇ DERECE ISINABİLİR Mİ?

Makaleye göre tek bir canlı hücrenin içindeki sıcaklığı ölçmek ancak yaklaşık on beş yıldır mümkün. Bu da bir bilmece ortaya çıkardı. Giderek büyüyen bir çalışma grubu, hücrelerin içinde çevrelerinden yaklaşık 1 ila 10 kelvin daha yüksek sıcaklıklar bildiriyor; atıfta bulunulan bir çalışmanın başlığı “Mitochondria are physiologically maintained at close to 50 °C” (Mitokondriler fizyolojik olarak 50 °C’ye yakın sıcaklıkta tutulur). Oysa bir hücrenin gerçekte ne kadar ısı ürettiğine ve sıradan ısı iletimine dayanan tahminler, derecenin binde birinin altında farklar öngörüyor.

Bilinen ölçüm hataları (artefaktlar), fiziksel ve kimyasal olarak farklı birkaç nano-termometrenin neden benzer sonuçlar verdiğini kolayca açıklamıyor. Küçük ölçeklerde ısı iletimine yapılan iyileştirmeler ise birkaç büyüklük mertebesindeki bir farkı kapatmak için çok küçük kalıyor.

Kaynağa değil termometreye bakın

Bilmeceyi çözme girişimlerinin çoğu ısı kaynağına odaklanıyor: bir mitokondrinin boyutu, şekli, yapısı ve sensöre uzaklığı; bunların hepsini belirlemek zor. Taras Plakhotnik (Queensland Üniversitesi) problemi tersine çeviriyor.

İdeal bir noktasal ısı kaynağı, kuramsal olarak, sonsuz bir sıcaklığa ulaşırdı. Ama hiçbir gerçek termometre bir noktayı ölçmez: sonlu bir termometrik hacmi vardır ve bildirdiği şey bu hacim üzerinden bir ortalamadır. Yazarın belirttiğine göre sensör, genellikle biyolojik kaynaktan çok daha iyi karakterize edilmiştir.

Bu yüzden şunu soruyor: bilinen toplam miktarda ısı üreten bir bölgenin içinde herhangi bir yere yerleştirilen, belirli bir hacme sahip bir sensör, kararlı durumda en fazla ne kadar ısınabilir?

Üç bileşenli bir sınır

Yalnızca Fourier’nin ısı iletim yasasını ve geometri ile analizin iki klasik eşitsizliğini kullanarak bir maksimum sıcaklık teoremi türetiyor:

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

Burada Q üretilen toplam ısı gücü, κ ısıl iletkenlik için bir alt sınır ve V sensörün hacmi. Başka hiçbir şey işin içine girmiyor: ısının nereden geldiği, nasıl dağıldığı, sensörün ne kadar uzakta durduğu.

Tipik bir kültür memeli hücresi için makale, 50 pikovatlık net ısı çıkışı, hücreler için bildirilen değerlerin alt ucunda olan metre başına kelvin başına 0,1 vatlık bir iletkenlik ve yaklaşık 60 nanometre çapında bir küreye karşılık gelen 10⁻²² metreküplük bir sensör alıyor. Mümkün olan en fazla ısınma: yaklaşık 2 milikelvin.

Sınır keskin: küresel bir ısı kaynağı kabuk biçimli bir sensörle sarıldığında bu değere ulaşılıyor. Bu en elverişli düzenlemede bile 1 kelvinlik bir artış en az 25 nanovat gerektirir; bu, hücrenin ölçülen çıkışından beş yüz kat fazla. Isı bunun yerine hücre boyutunda bir hacme eşit olarak yayılsaydı, sınır yaklaşık 2 mikrokelvine düşerdi.

Peki ısı üreten ve ısı soğuran tepkimelerin birbirini dengelemesi? Kalorimetri yalnızca net çıkışı ölçer, teorem ise üretilen tüm ısıyı sayar. Hücreden yalnızca 50 pikovat çıkarken 1 kelvinlik bir okuma, yerel olarak en az 25 nanovat salınmasını ve aynı hücrenin başka bir yerinde neredeyse aynı miktarın soğurulmasını gerektirirdi.

Sonuç doğrudan kullanılan sensörlere uygulanıyor: nanoelmaslar, yukarı dönüşüm (upconversion) nanoparçacıkları, floresan polimer parçacıkları ve çekirdek–kabuk kuantum noktaları.

Geride kalan bir termometre

Teorem, sensörün kendisinin içsel olarak dengede olduğunu varsayıyor. Bunun neden geçerli olmayabileceğini göstermek için yazar, esnek bir zarla ayrılmış, biri sıcak biri soğuk iki gaz haznesini simüle etti. Gazlar hızla ortak bir sıcaklığa ulaşırken zar çok daha yavaş gevşedi ve zar sertleştikçe aradaki fark büyüdü. Küçük bir nesne, çevresi durulmuş olsa bile dengenin dışında kalabilir ve denge sıcaklıklarına karşı yapılan standart bir kalibrasyon bunu ortaya çıkarmaz.

Eksik fizik nerede saklanıyor olmalı

Makale, bildirilen sıcak noktaların artefakt olduğunu iddia etmiyor. Kelvin ölçeğindeki bir sinyal gerçekten ısılsa, teoremin en az bir varsayımının geçersiz olması gerektiğini belirtiyor. Sıraladığı adaylar: sondanın kendisinin enjekte ettiği ek güç, uzun ömürlü durumlarda geçici olarak depolanan enerji, hiçbir zaman tam olarak dengeye gelmeyen bir sensör ya da sensörde veya çevresinde bir sıcaklık değişimini taklit eden ısıl olmayan bir değişiklik. Yazar, bunları birbirinden ayırmanın, termometrenin kendisinin nasıl gevşediğini izleyen deneyler gerektireceği sonucuna varıyor.