TẾ BÀO CÓ THỰC SỰ NÓNG LÊN VÀI ĐỘ KHÔNG?

Theo bài báo, việc đo nhiệt độ bên trong một tế bào sống đơn lẻ mới chỉ khả thi trong khoảng mười lăm năm. Và nó đã tạo ra một câu đố. Ngày càng nhiều công trình báo cáo nhiệt độ bên trong tế bào cao hơn môi trường khoảng 1 đến 10 kelvin; một nghiên cứu được trích dẫn có nhan đề “Mitochondria are physiologically maintained at close to 50 °C”. Nhưng những ước tính dựa trên lượng nhiệt mà tế bào thực sự sinh ra, và trên sự dẫn nhiệt thông thường, lại dự đoán mức chênh lệch dưới một phần nghìn độ.

Những sai lệch đo lường (artefact) đã biết khó có thể giải thích vì sao nhiều nhiệt kế nano khác nhau về vật lý lẫn hóa học lại cho kết quả tương tự nhau. Những hiệu chỉnh về dẫn nhiệt ở thang nhỏ vẫn còn quá nhỏ để lấp một khoảng cách vài bậc độ lớn.

Nhìn vào nhiệt kế, chứ không phải nguồn nhiệt

Phần lớn các nỗ lực giải câu đố đều tập trung vào nguồn nhiệt: kích thước, hình dạng, cấu trúc của ty thể và khoảng cách từ nó tới cảm biến, những thứ đều khó xác định. Taras Plakhotnik (Đại học Queensland) lật ngược vấn đề.

Về lý thuyết, một nguồn nhiệt điểm lý tưởng sẽ đạt nhiệt độ vô hạn. Nhưng không nhiệt kế thực nào đo một điểm: nó có một thể tích đo nhiệt hữu hạn, và thứ nó báo cáo là giá trị trung bình trên thể tích đó. Ông lưu ý rằng cảm biến thường được hiểu rõ đặc tính hơn nhiều so với nguồn sinh học.

Vì vậy ông đặt câu hỏi: đặt ở bất kỳ đâu bên trong một vùng sinh ra một tổng nhiệt lượng đã biết, một cảm biến có thể tích cho trước có thể nóng lên tối đa bao nhiêu, ở trạng thái dừng?

Một giới hạn với ba thành phần

Chỉ dùng định luật dẫn nhiệt Fourier và hai bất đẳng thức kinh điển của hình học và giải tích, ông suy ra một định lý nhiệt độ cực đại:

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

trong đó Q là tổng công suất nhiệt sinh ra, κ là cận dưới của hệ số dẫn nhiệt và V là thể tích cảm biến. Không có gì khác tham gia: không phải nhiệt đến từ đâu, không phải nó phân bố thế nào, cũng không phải cảm biến nằm cách bao xa.

Với một tế bào động vật có vú nuôi cấy điển hình, bài báo lấy công suất nhiệt thực là 50 picowatt, hệ số dẫn nhiệt 0,1 watt trên mét trên kelvin, ở mức thấp trong các giá trị đã báo cáo cho tế bào, và một cảm biến 10⁻²² mét khối, tương đương một khối cầu đường kính khoảng 60 nanomet. Mức tăng nhiệt tối đa có thể: khoảng 2 millikelvin.

Giới hạn này là chặt: nó đạt được khi một nguồn nhiệt hình cầu được bao bọc bởi một cảm biến hình vỏ. Ngay cả trong cách sắp xếp thuận lợi nhất đó, muốn tăng 1 kelvin cũng cần ít nhất 25 nanowatt, gấp năm trăm lần công suất đo được của tế bào. Còn nếu nhiệt được trải đều trong một thể tích cỡ tế bào, giới hạn sẽ giảm xuống khoảng 2 microkelvin.

Còn trường hợp các phản ứng sinh nhiệt và thu nhiệt triệt tiêu lẫn nhau thì sao? Phép đo nhiệt lượng (calorimetry) chỉ đo công suất thực, trong khi định lý tính toàn bộ nhiệt sinh ra. Một số đo 1 kelvin khi chỉ có 50 picowatt thoát ra khỏi tế bào khi đó sẽ cần ít nhất 25 nanowatt được giải phóng cục bộ, và gần như chừng ấy được hấp thụ ở nơi khác trong cùng tế bào.

Kết quả áp dụng trực tiếp cho các cảm biến đang được sử dụng: kim cương nano, hạt nano chuyển đổi ngược (upconversion), hạt polymer huỳnh quang và chấm lượng tử lõi–vỏ.

Một nhiệt kế bị tụt lại phía sau

Định lý giả định rằng bản thân cảm biến ở trạng thái cân bằng bên trong. Để cho thấy vì sao điều đó có thể không đúng, tác giả mô phỏng hai bình khí, một nóng và một lạnh, ngăn cách bởi một màng đàn hồi. Các khối khí nhanh chóng đạt cùng một nhiệt độ trong khi màng hồi phục chậm hơn nhiều, và khoảng chênh lệch càng lớn khi màng càng cứng. Một vật nhỏ có thể vẫn mất cân bằng ngay cả khi môi trường xung quanh nó đã ổn định, và một phép hiệu chuẩn tiêu chuẩn dựa trên nhiệt độ cân bằng sẽ không phát hiện ra điều đó.

Phần vật lý còn thiếu phải ẩn ở đâu

Bài báo không khẳng định rằng những điểm nóng được báo cáo là sai lệch đo lường. Nó cho rằng nếu một tín hiệu cỡ kelvin thực sự là nhiệt, thì ít nhất một giả định của định lý phải sai. Các ứng viên được nêu: công suất thêm do chính đầu dò đưa vào, năng lượng được lưu trữ tạm thời trong những trạng thái tồn tại lâu, một cảm biến không bao giờ cân bằng hoàn toàn, hoặc một thay đổi không phải nhiệt trong cảm biến hay môi trường quanh nó, bắt chước một thay đổi nhiệt độ. Tác giả kết luận rằng muốn phân biệt chúng sẽ cần những thí nghiệm theo dõi cách chính chiếc nhiệt kế hồi phục.