Физик объяснил связь законов Вселенной с условиями для жизни

Звезды способны создавать химические элементы, необходимые для жизни, но этого недостаточно для функционирования клеток. Согласно теоретическому исследованию профессора физики Лондонского университета королевы Марии Кости Траченко, фундаментальные физические константы должны обеспечивать подходящую вязкость жидкостей. В противном случае движение молекул, от которого зависит работа живых организмов, может нарушиться. Об этом сообщает портал Известия.

Представим мир, где существуют звезды, планеты и химические элементы, из которых состоят живые организмы. На первый взгляд, все необходимое для жизни уже присутствует. Однако жидкости в таком мире могут быть настолько вязкими, что молекулы будут двигаться слишком медленно для клеточных процессов.

Траченко рассматривает именно такую возможность. В центре его исследования — свойство, заметное на кухне: вода быстро выливается из стакана, в то время как мед стекает с ложки гораздо медленнее. Эта разница связана с вязкостью, то есть сопротивлением жидкости течению.

Для клетки это свойство имеет принципиальное значение. Питательные вещества должны перемещаться, участники химических реакций — встречаться, а продукты обмена — выводиться. Наличие нужных молекул само по себе не гарантирует, что все эти процессы будут происходить с необходимой скоростью.

«Если бы вода была такой же вязкой, как смола, жизнь не существовала бы в нынешнем виде или не существовала бы вовсе», — пояснил Траченко.

Фундаментальные константы — это величины, входящие в основные физические теории. К ним относятся масса и электрический заряд электрона, масса протона и постоянная Планка, связанная с квантовыми свойствами материи.

Эти параметры влияют на размеры атомов и энергию химических связей. От взаимодействий между частицами зависит поведение вещества, в том числе его способность течь. Таким образом, между квантовой физикой и движением обычной жидкости существует связь, хотя наблюдаем мы эти явления на разных масштабах.

В работе 2020 года Траченко и физик Вадим Бражкин предложили выражение для минимальной кинематической вязкости жидкостей через постоянную Планка, массу электрона и массу молекулы. Кинематическая вязкость учитывает как сопротивление течению, так и плотность вещества.

Это не означает, что все жидкости имеют одинаковую вязкость. Вода и мед сохраняют свои отличия, а их свойства меняются с температурой и составом. Речь идет о физическом ограничении минимального значения, которое исследователи связали с характеристиками частиц.

Таким образом, нагревание или выбор другого вещества меняют условия течения внутри существующих физических правил. Изменение самих констант означало бы изменение основы, на которой формируются свойства жидкостей.

Одним из способов перемещения молекул служит диффузия. Частицы движутся беспорядочно, и в результате вещество распространяется из области с большей концентрацией в область с меньшей. Наглядный пример — капля красителя, которая постепенно распределяется в воде.

В простой модели увеличение вязкости при прочих равных замедляет диффузию. Для живой клетки это означает изменение условий, в которых молекулы находят друг друга и вступают в реакции. Можно предположить, что в более вязкой среде организм просто жил бы медленнее. Однако разные биохимические реакции реагируют на изменение вязкости по-разному. Если одни процессы замедляются сильнее других, нарушается соотношение между ними.

Поэтому вопрос состоит не только в общей скорости обмена веществ. Важно, сохраняется ли согласованность реакций, необходимых клетке. Сам автор подчеркивает, что еще предстоит установить, какие процессы наиболее чувствительны к вязкости и где проходит граница между их замедлением и прекращением.

При этом клетка гораздо сложнее капли красителя в стакане. Внутри нее есть многочисленные молекулы, структуры и механизмы активного транспорта. Простая модель помогает понять физическую связь, но не описывает всю внутриклеточную среду.

Траченко рассмотрел возможность изменения физических констант так, чтобы сохранялись определенные их сочетания, важные для обсуждения образования тяжелых элементов в звездах. При этом ограничения на вязкость и диффузию могли изменяться.

Смысл такого мысленного эксперимента в том, что условия для образования химических элементов и условия для работы живых клеток необязательно совпадают. В рамках рассматриваемой модели можно сохранить предпосылки для появления нужных элементов, но получить жидкости, непригодные для привычных биологических процессов.

Исследование рассматривает физические предпосылки клеточной жизни. Оно не показывает, каким путем возникла первая клетка, и не доказывает, что наличие подходящих жидкостей неизбежно приведет к появлению организма.

В январе 2025 года Траченко и его коллеги продолжили исследование в The European Physical Journal E. Они рассмотрели сложные биологические жидкости на примере крови. Ее поведение определяется не только молекулярными свойствами плазмы, но и взаимодействиями клеток. При малой скорости сдвига эритроциты могут объединяться в группы, увеличивая сопротивление течению. При увеличении сдвига такие группы распадаются, и эффективная вязкость снижается. Поэтому для крови нельзя указать одно значение вязкости независимо от условий ее движения.

Авторы обратили внимание, что характерная кинематическая вязкость крови относительно близка к фундаментальному масштабу, рассчитанному через физические константы. Это сравнение масштабов, а не точное совпадение значений.

Возможное объяснение они связали с взаимодействиями в местах сближения клеток, где существенными становятся молекулярные расстояния. Это предложенный механизм, который требует дальнейшего изучения.

Работа также уточняет вопрос о чувствительности жизни к константам. В приведенном авторами примере изменение заряда электрона на 1% соответствует изменению расчетного масштаба вязкости примерно на 6%. Сопоставимое изменение эффективной вязкости может возникать и из-за изменения условий течения. Поэтому небольшой сдвиг константы сам по себе еще не доказывает неизбежную гибель организма.

Выражение «тонкая настройка» используют, когда обсуждают чувствительность физических процессов к значениям констант. В данном случае исследователь ставит вопрос о диапазоне параметров, совместимом с движением жидкостей в живых системах.

Пока точная ширина этого диапазона неизвестна. Для ее определения необходимы данные о том, какую вязкость и скорость переноса веществ способны выдерживать разные биологические процессы. Отдельная трудность — возможные формы жизни, которые значительно отличаются от земных.

Траченко также предлагает более широкую гипотезу: условия для образования элементов и условия для работы клеток могли бы соответствовать разным ограничениям на константы. В этом он видит повод для аналогии с эволюцией, при которой разные полезные свойства возникают независимо.

Однако такая аналогия остается предположением. Исследование не устанавливает, что физические константы действительно эволюционировали, и не раскрывает механизм их происхождения. Из совместимости законов природы с жизнью также не следует, что Вселенная была намеренно создана для нее.

Больше новостей и эксклюзивных видео смотрите в канале Самара Онлайн 24 в MAX