Ученые совершили открытие, которое может изменить наше понимание Вселенной

Новое исследование в области физики предполагает, что жизнь может зависеть от удивительно тонкого баланса, скрытого в законах Вселенной. Credit: AI/ScienceDaily.com

Исследователи из Лондонского университета королевы Марии выдвинули поразительную идею, связывающую фундаментальные законы физики с самим существованием жизни. Их работа предполагает, что фундаментальные постоянные Вселенной находятся в чрезвычайно узком диапазоне, который позволяет жидкостям течь таким образом, от которого зависят живые клетки. Если бы эти постоянные были хотя бы немного другими, вода, кровь и другие поддерживающие жизнь жидкости могли бы вести себя настолько иначе, что сложные организмы могли бы никогда не появиться.

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances в 2023 году, развивает более раннюю работу физика Кости Траченко и его коллег, показавшую, что вязкость жидкости напрямую связана с фундаментальными физическими постоянными. Это открытие установило нижний предел того, насколько «текучими» могут быть жидкости. Новое исследование расширило эту идею на биологию, задавшись вопросом, не определяют ли те же физические правила, которые формируют космос, также и то, могут ли функционировать клетки.

Почему течение жидкости важно для жизни

Жизнь зависит от движения на микроскопических уровнях. Питательные вещества должны перемещаться через клетки, белки должны правильно сворачиваться, а молекулы постоянно диффундируют через водную среду. Все это зависит от вязкости — свойства, определяющего, насколько легко течет жидкость.

По мнению исследователей, Вселенная, по-видимому, действует в удивительно узком «благоприятном для жизни» окне, где вязкость и диффузия остаются подходящими для жизни. Если бы управляющие физикой константы изменились всего на несколько процентов, жизненно важные для биологии жидкости могли бы стать значительно более густыми или более жидкими.

«Понимание того, как вода течет в чашке, оказывается тесно связанным с глобальной задачей определения фундаментальных констант. Жизненные процессы в живых клетках и между ними требуют движения, и именно вязкость задает свойства этого движения. Если бы фундаментальные константы изменились, вязкость также изменилась бы, что повлияло бы на жизнь в том виде, в каком мы ее знаем. Например, если бы вода была такой же вязкой, как смола, жизнь не существовала бы в ее нынешней форме или не существовала бы вовсе. Это применимо не только к воде, поэтому все формы жизни, использующие жидкое состояние для функционирования, были бы затронуты».

Команда утверждает, что последствия выходят далеко за пределы питьевой воды или океанов. Человеческая кровь, клеточные жидкости и химия, питающая жизнь, — все это зависит от тщательно сбалансированных свойств течения.

«Любое изменение фундаментальных констант, включая их увеличение или уменьшение, было бы одинаково плохой новостью для течения и для жизни, основанной на жидкостях. Мы ожидаем, что это окно будет довольно узким: 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», — сказал профессор физики Костя Траченко.

Новый взгляд на космическую тонкую настройку

Физики давно спорят о том, почему константы Вселенной кажутся точно настроенными. Незначительные различия в таких значениях, как заряд электрона или сила фундаментальных взаимодействий, могли бы помешать звездам формировать тяжелые элементы, необходимые для планет и жизни.

Что делает это исследование необычным, так это то, что оно переносит обсуждение со звезд и галактик на уровень живых клеток. Предыдущие аргументы о тонкой настройке часто фокусировались на ядерных реакциях внутри звезд. Эта работа утверждает, что, даже если бы звезды и тяжелые элементы все еще формировались, жизнь могла бы остаться невозможной, если бы жидкости не могли должным образом течь внутри организмов.

Это вводит второй уровень тонкой настройки. Константы, по-видимому, совместимы не только со Вселенной, полной материи, но и с биологическими системами, которые зависят от тонкой динамики жидкостей.

Исследователи даже предполагают, что могло произойти несколько этапов настройки. В статье Траченко сравнивает эту возможность с биологической эволюцией, где признаки возникают независимо с течением времени. Эта идея остается умозрительной, но она поднимает вопрос о том, что природа может благоприятствовать стабильным физическим структурам способами, которые ученые еще не до конца понимают.

Более поздние исследования развили эту идею

С момента первой публикации ученые продолжали изучать, как вязкость, диффузия и поведение жидкостей связаны с фундаментальной физикой. Последующие теоретические работы рассмотрели, как движение жидкости внутри клеток может накладывать дополнительные ограничения на значения физических констант, особенно в системах, включающих биохимические «машины», такие как молекулярные моторы.

Другие исследователи также изучали, как сама вязкость может возникать из более глубоких физических законов. Анализ 2023 года подчеркнул растущее количество доказательств того, что вязкость жидкости может быть связана с универсальными физическими пределами, а не просто быть свойством, измеряемым в лабораториях.

Вместе эти исследования помогают переосмыслить старую научную загадку. Вместо того чтобы рассматривать константы природы только через призму космологии и физики элементарных частиц, ученые все чаще задаются вопросом, должны ли условия, необходимые для текучих жидкостей и функционирующих клеток, также быть частью уравнения.

Могут ли физика и биология быть более связаны, чем мы думали?

Эта идея остается в высшей степени теоретической, и многие физики предостерегли бы, что до сих пор нет общепринятого объяснения, почему константы природы имеют свои наблюдаемые значения. Но это исследование открывает неожиданный путь для размышлений над одним из самых больших вопросов науки.

На протяжении десятилетий загадка фундаментальных констант в основном исследовалась через черные дыры, звезды и субатомные частицы. Эта работа предполагает, что ответ может также включать нечто гораздо более близкое к повседневной жизни: простую способность жидкостей течь через живые клетки.

Источники:

Материалы предоставлены Лондонским университетом королевы Марии.

Костя Траченко. Constraints on fundamental physical constants from bio-friendly viscosity and diffusion. Science Advances, 2023; 9 (34) DOI: 10.1126/sciadv.adh9024