Физика жизни: могут ли фундаментальные константы объяснить феномен живого?

Что такое жизнь? Этот вопрос веками занимал философов, биологов и поэтов. Но что, если на него может ответить физик с помощью формул и фундаментальных констант? Новая захватывающая статья исследователей из Бостонского университета бросает вызов традиционным границам между науками, предлагая взглянуть на жизнь не как на случайную химическую причуду, а как на явление, глубоко укорененное в самых основных законах мироздания.

Панкадж Мехта и Джане Кондев предприняли смелую попытку вывести свойства живого, от скорости его размножения до энергии поддержания, непосредственно из универсальных констант, таких как постоянная Планка и скорость света. Их работа — это прямой наследник идей Виктора Вайскопфа, который в 1970-х годах блестяще объяснил свойства обычной материи из «первых принципов», но намеренно обошел стороной загадку жизни. Теперь же ученые ставят своей целью заполнить именно этот пробел. Отправной точкой их исследования стал непростой вопрос определения жизни. Авторы предлагают рассматривать ее как новую форму неравновесной самоорганизованной материи, ключевой особенностью которой является высокоточная саморепликация. Проще говоря, жизнь — это процесс постоянного поддержания своей упорядоченности в противовес хаосу окружающей среды и точного воспроизведения.

Исходя из этого, они выделяют три фундаментальных свойства, которые, по их мнению, характеризуют любую возможную жизнь и которые можно подвергнуть физическому анализу. Первое свойство — это «прирост», или эффективность превращения энергии в биомассу, измеряемая в граммах на джоуль. Второе — минимальное время удвоения, то есть максимально возможная скорость репликации. Третье — «минимальное энергопотребление в состоянии покоя», количество энергии, необходимое для борьбы с энтропией и поддержания целостности организма.

Главная инновация работы заключается в демонстрации того, как каждое из этих свойств может быть выражено через комбинацию фундаментальных физических констант. На квантовом уровне такие величины, как масса протона, масса электрона и постоянная тонкой структуры, определяют базовые масштабы энергии и размера, например, радиус атома водорода. Эти квантовые константы, сочетаясь с тепловыми (постоянная Больцмана, температура), задают так называемую кинетическую шкалу времени, которая, в свою очередь, определяет темпы биологических процессов, таких как репликация.

Расчеты авторов показывают впечатляющее соответствие с реальными биологическими данными. Например, идеализированный коэффициент роста, рассчитанный на основе только фундаментальных констант, составляет величину порядка 10⁻⁸ грамм/джоуль. Однако для углеродной жизни, подобной земной, модель предсказывает значение около 10⁻³ грамм/джоуль, что удивительно точно совпадает с наблюдаемой эффективностью фотосинтеза у растений.

Аналогичным образом, модель предсказывает масштабы времени удвоения. В условиях избытка энергии, когда пределом является лишь скорость биохимических реакций, минимальное время удвоения составляет сотни секунд, что соответствует рекордным показателям у быстро делящихся бактерий. В условиях же энергетического дефицита модель предсказывает, что удвоение может затягиваться на годы, что наблюдается у глубоководных микроорганизмов.

Что касается энергопотребления для борьбы с энтропией, здесь модель также демонстрирует свою состоятельность. Рассчитанное на основе тепловых флуктуаций и кинетики значение мощности, необходимой для поддержания ионного градиента клетки, составляет примерно 3 x 10⁻⁴ Ватт на клетку. Это прекрасно согласуется с экспериментально измеренными значениями порядка 10⁻⁴ Ватт на клетку.

Учитывая, что все предсказания модели находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными, авторы делают вывод, что их фундаментальная предпосылка верна: законы физики действительно накладывают жесткие ограничения на форму и функции клеточной жизни.

Эта работа не только предлагает свежий взгляд на жизнь как на неизбежное следствие законов нашей Вселенной, но и имеет глубокие практические следствия. Она закладывает основу для создания принципиально новых подходов к поиску внеземной жизни, которая, будучи возможно иной по биохимии, все равно должна укладываться в рамки, заданные универсальными физическими константами. Таким образом, исследование становится элегантным продолжением идей Вайскопфа, рисуя картину мира, в котором даже самый капризный и загадочный процесс — жизнь — подчиняется единой, величественной логике мироздания.

Если говорить подробнее, то речь идет о следующих конкретных возможностях и применениях данной теории:

1. Создание принципиальных основ для астробиологии.
Это самое главное следствие. Сейчас при поиске внеземной жизни мы часто руководствуемся принципом «ищем то, что знаем» — например, жизнь на основе углерода, требующую жидкой воды. Новая модель предлагает более универсальный подход. Если фундаментальные физические константы одинаковы во всей Вселенной, то и законы, ограничивающие жизнь, будут везде одними и теми же. Это значит, что мы можем:

• Определять обитаемые зоны экзопланет на новых физических, а не только биологических основаниях. Например, оценивать, может ли жизнь на той или иной планете генерировать достаточный «прирост» биомассы из доступной энергии (скажем, от красного карлика) и успевать размножаться быстрее, чем разрушаться от энтропии.

• Искать «неуглеродную» жизнь, не впадая в полную фантастику. Если мы обнаружим на Титане или в облаках Венеры процесс, который с невероятной эффективностью и скоростью воспроизводит сложные структуры, мы сможем проверить, укладываются ли его параметры в предсказания модели, основанной на константах. Если да — это серьезный кандидат на статус «жизни», даже если его биохимия радикально отличается от земной.

2. Понимание пределов жизни на Земле.
Модель помогает понять, почему земная жизнь выглядит именно так, а не иначе.

• Почему клетка имеет определенный минимальный размер? Потому что ей нужно разместить внутри механизмы, способные бороться с энтропией с определенной скоростью, которая зависит от тех же фундаментальных констант.

• Почему существуют биологические «скоростные рекорды»? Почему бактерия не может делиться раз в секунду? Потому что на сбор и преобразование энергии, а также на копирование генетической информации требуется время, минимальное значение которого задается физическими пределами (например, скоростью диффузии молекул, определяемой тепловыми флуктуациями).

3. Новый взгляд на происхождение жизни (абиогенез).
Если свойства жизни вытекают из фундаментальных констант, то это делает ее возникновение во Вселенной не абсолютно случайным событием, а в некотором роде «запрограммированным» в законах физики. Модель не объясняет, как именно произошел переход от неживого к живому, но она задает физические рамки, в которых этот переход мог быть возможен. Это сужает круг гипотез о происхождении жизни.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях