Физика жизни: могут ли фундаментальные константы объяснить смысл существования?
В чем смысл жизни? Даже величайшие умы человечества не смогли бы дать исчерпывающий ответ на этот вопрос. Однако находятся те, кто пытается «ограничить» поле для поисков ответа, подойдя к проблеме с точки зрения физики.
Новая статья Панкажа Мехты из Бостонского университета и Яне Кондева из Университета Брандейса, опубликованная на сервере препринтов arXiv, предлагает взглянуть на то, как фундаментальные физические константы могут быть применены к жизни — не только такой, какую мы знаем, но и к потенциально возможным инопланетным формам. Их идея не дает ответа на главный вопрос, но искусно связывает две, казалось бы, далекие друг от друга области науки: физику элементарных частиц и биологию.
Работа Мехты и Кондева была вдохновлена наследием Виктора Вайскопфа, австро-американского физика, который знаменит тем, что вывел многие свойства материи, исходя из «первых принципов» — фундаментальных констант, лежащих в основе нашей Вселенной. Однако его работы 1970-х годов сознательно исключали из рассмотрения один чрезвычайно важный тип материи — жизнь. Именно этот пробел и восполнили доктора Мехта и Кондев.
Первым делом им пришлось дать определение «жизни» — задача сама по себе нетривиальная. Для целей своего исследования они предложили следующую формулировку: жизнь — это «новая форма неравновесной самоорганизованной материи, чьей определяющей чертой является высокоточное самовоспроизведение». Проще говоря, смысл жизни заключается в том, чтобы постоянно поддерживать свою отделенность от окружающей среды (по крайней мере, в энергетическом смысле) и воспроизводиться.
Исходя из этого определения, ученые выделили три фундаментальных свойства, которые «характеризуют» жизнь:
-
«Выход роста» — количество биомассы, которое может быть произведено на единицу затраченной энергии (обычно джоуль).
-
Минимальное время удвоения — самый короткий промежуток времени, за который организм может удвоить свою численность.
-
«Минимальное энергопотребление в состоянии покоя» — количество энергии, необходимое жизни для поддержания своей «отдельности» от среды и целостности перед лицом хаоса, описываемого вторым законом термодинамики (энтропией).
Согласно статье, каждое из этих свойств можно вывести из фундаментальных констант Вселенной — в частности, из законов квантовой теории и термодинамики. На квантовом уровне такие константы, как постоянная Планка, масса электрона и протона, скорость света, определяют значения более высокого уровня, например, размер атома (боровский радиус) или энергию электрона (энергия Ридберга). Термические величины определяются постоянной Больцмана и температурой, а «кинетическая временная шкала», которая может быть использована для определения скорости биологического репликации, основана на комбинации квантовых и термических постоянных.
Расчеты авторов показывают, что их модель, построенная на физических константах, удивительно точно предсказывает порядок величин, наблюдаемых в реальной жизни. Например, идеализированный «выход роста» для углеродной жизни, подобной нашей, составляет около 10⁻⁴ грамма на джоуль, что соответствует экспериментальным данным. Минимальное время удвоения бактерий в благоприятных условиях составляет сотни секунд, а в условиях скудности ресурсов — от десятков дней до сотен лет, и модель правильно определяет эти масштабы. Даже минимальное энергопотребление клетки в состоянии покоя для борьбы с энтропией, рассчитанное как 3 × 10⁻¹⁵ Ватт/клетку, хорошо согласуется с экспериментальными значениями.
Тот факт, что все модельные значения хорошо согласуются с измеренными экспериментальными данными, подтверждает основную premise авторов: законы физики накладывают строгие ограничения на саму возможность существования клеточной жизни. Эта модель полезна не только как фундаментальное обобщение, но и как практический инструмент. Она предоставляет framework для поиска жизни за пределами Земли, помогая астробиологам определить, какие условия являются действительно критическими для ее возникновения, независимо от ее биохимической основы.
Таким образом, работа Мехты и Кондева блестяще продолжает и расширяет vision Вайскопфа. Она приближает нас к созданию полной картины мироздания, выстроенной «снизу вверх» — от первых принципов и фундаментальных констант. И хотя их модель не отвечает на сакраментальный вопрос о «смысле жизни», она показывает, что даже этот капризный и сложный процесс подчиняется универсальным законам физики, которые определяют границы возможного для самой жизни во Вселенной. Возможно, смысл как раз и заключается в этой удивительной способности материи самоорганизовываться и противостоять энтропии в строго отведенных для нее физических рамках.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
