Учёные обнаружили неожиданную связь между базовыми законами физики и возможностью существования жизни. Результаты их работы показывают, что даже относительно небольшие изменения некоторых фундаментальных физических констант способны серьёзно повлиять на текучесть жидкостей. Это, в свою очередь, может заблокировать ключевые биологические процессы.
Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, провёл физик Костя Траченко из Лондонского университета королевы Марии. В своей теоретической работе он выявил дополнительное ограничение для значений фундаментальных констант: они должны допускать такое движение жидкостей, которое поддерживает жизнь внутри клеток и между ними. Работа ставит важный вопрос о том, почему законы природы имеют значения, столь подходящие для существования живых организмов.
Фундаментальные физические константы — это числа, которые определяют работу Вселенной. К ним относятся масса и электрический заряд электрона, а также постоянная Планка, играющая ключевую роль в квантовой механике — разделе физики, описывающем материю и энергию на предельно малых масштабах. Эти величины принято считать универсальными и неизменными во времени. Их значения влияют на всё: от поведения атомов и химических связей до ядерных реакций, которые питают звёзды и создают элементы, необходимые для жизни. Несмотря на важность этих констант, учёные до сих пор не знают, почему они имеют именно такие значения.
Важная подсказка появилась в 2020 году, когда Траченко и его коллеги показали, что фундаментальные константы задают нижний предел вязкости жидкостей. Вязкость описывает, насколько сильно жидкость сопротивляется течению. У воды она относительно низкая, и она легко выливается, тогда как мёд и смола гораздо более вязкие и движутся медленно. Исследователи доказали, что существует принципиальный предел того, насколько свободно может течь жидкость, и этот предел в конечном счёте связан с базовыми константами природы. В работе 2023 года эта связь была рассмотрена гораздо глубже — с точки зрения её значения для биологии.
Каждая живая клетка зависит от движения молекул. Питательные вещества должны попадать туда, где они нужны, продукты распада — выводиться, а бесчисленные химические реакции — протекать в жидкой среде. Ещё один важный процесс — диффузия, естественное распространение частиц в жидкости. Она помогает молекулам перемещаться по клетке и обеспечивает многие химические взаимодействия, необходимые для жизни. Если вязкость этих жидкостей изменится слишком сильно, такие процессы могут серьёзно нарушиться. Слишком густые жидкости не дадут важным веществам двигаться эффективно, а чрезмерно низкая вязкость тоже может помешать контролируемому потоку, нужному для биологических функций. Траченко так объяснил эту неожиданную связь: «Понимание того, как вода течёт в чашке, оказывается тесно связано с грандиозной задачей выяснения фундаментальных констант. Жизненные процессы в живых клетках и между ними требуют движения, и именно вязкость задаёт свойства этого движения. Если фундаментальные константы изменятся, вязкость тоже изменится, что повлияет на жизнь в известном нам виде. Например, если бы вода была такой же вязкой, как смола, жизнь не существовала бы в её нынешней форме или не существовала бы вовсе. Это касается не только воды, поэтому все формы жизни, использующие жидкое состояние для функционирования, были бы затронуты».
Выводы распространяются и за пределы воды. Хотя вся известная жизнь зависит от воды, гипотетические организмы в других частях Вселенной могли бы полагаться на другие жидкости. Те же фундаментальные физические ограничения всё равно влияли бы на поведение этих жидкостей. Траченко предположил, что диапазон констант, совместимых с клеточной жизнью, может быть на удивление узким. «Любое изменение фундаментальных констант, будь то увеличение или уменьшение, одинаково плохо скажется на течении и на жизни, основанной на жидкостях. Мы ожидаем, что окно довольно узкое: например, вязкость нашей крови стала бы слишком густой или слишком жидкой для функционирования организма при изменении всего на несколько процентов некоторых фундаментальных констант, таких как постоянная Планка или заряд электрона». Эти предсказания основаны на теоретических моделях, а не на экспериментах, в которых учёные действительно меняли фундаментальные константы. Точные пределы, которые могли бы выдержать разные формы жизни, остаются неопределёнными.
Особую интригу findings придаёт то, что те же фундаментальные константы, влияющие на течение жидкостей, управляют и ядерными реакциями, ответственными за создание тяжёлых элементов внутри звёзд. Задолго до появления первых живых клеток звёзды производили такие элементы, как углерод и кислород, которые впоследствии стали важнейшими компонентами живых организмов. Физики давно изучают, должны ли константы, управляющие этими ядерными процессами, находиться в определённых диапазонах, чтобы сложная материя могла существовать. Но способность создавать химические ингредиенты жизни не обязательно гарантирует, что жизнь сможет функционировать. Анализ Траченко показал, что некоторые физические свойства, определяющие течение жидкостей, могут меняться без нарушения комбинаций констант, необходимых для образования тяжёлых ядер в звёздах. Иными словами, гипотетическая Вселенная могла бы производить элементы, нужные для жизни, но иметь при этом настолько вязкие жидкости, что клеточные процессы не смогли бы работать. Это означает, что условия, необходимые для поддержания жизни, могут включать не только способность формировать звёзды, планеты и сложную химию. Физические свойства жидкостей могли бы накладывать дополнительные требования на фундаментальные константы Вселенной.