|
Определение жизни с помощью физических констант
|
|
|
|
В чем смысл жизни? Даже лучшие из нас не могли бы надеяться найти ответ на этот вопрос в статье для журнала Universe Today. Но есть те, кто попытался бы "ограничить" его, по крайней мере, с точки зрения физики. В новой статье Панкаджа Мехты (Pankaj Mehta) из Бостонского университета имени Яне Кондева (Jane Kondev), недавно опубликованной на сервере препринтов arXiv, рассматривается, как фундаментальные физические константы могут быть применены к жизни, какой мы ее знаем, и даже к жизни, какой мы ее еще не знаем. Их идея не обязательно дает ответ на главный вопрос, но она прекрасно связывает две, казалось бы, несопоставимые области воедино.
|
|
|
|
Их работа была вдохновлена Виктором Вайскопфом, австрийско-американским физиком, который, как известно, вывел многие свойства материи из "первых принципов" физических констант, лежащих в основе нашей Вселенной. Его работа 1970—х годов, как известно, также исключала свойства одного чрезвычайно важного типа материи - жизни. Именно здесь вмешались доктора Мета и Кондев.
|
|
|
|
Во-первых, они должны были дать определение понятию "жизнь", что, если спросить любого, кто занимается биологией, само по себе может быть сложным процессом. Их определение, которое для объяснения идеи нам придется принять за чистую монету, заключается в том, что жизнь - это "новая форма неравновесной самоорганизующейся материи, отличительной чертой которой является высокоточное самовоспроизведение". Другими словами, смысл жизни состоит в том, чтобы постоянно отделять себя от окружающей среды (по крайней мере, энергетически) и размножаться.
|
|
|
|
|
|
|
В дополнение к этому определению, они также выделяют три фундаментальных свойства жизни, которые "характеризуют" ее. Во-первых, это "выход роста", который определяет, сколько дополнительной биомассы может быть произведено на единицу энергии (обычно в джоулях). Второе — это минимальное время удвоения, то есть самое быстрое, с каким организм может удвоиться в численности. В—третьих, это "Минимальное энергопотребление в состоянии покоя", которое измеряет, сколько энергии требуется жизни для поддержания своей "отделенности" от окружающей среды и сохранения собственной целостности перед лицом сил хаоса, представленных энтропией во Втором законе термодинамики.
|
|
|
|
Согласно статье, каждое из этих фундаментальных свойств может быть выведено из физических констант Вселенной, в частности из законов квантовой теории и термодинамики. В квантовом масштабе такие константы, как постоянная Планка, масса электрона, масса протона и скорость света, могут определять постоянные более высокого уровня, такие как радиус Бора (размер атома) и энергия Ридберга (энергия электрона). Тепловые значения аналогично определяются постоянной Больцмана и температурой, в то время как "Кинетическая шкала времени", которая может быть использована для определения временных масштабов биологической репликации, основана на комбинации значений как квантовой, так и тепловой постоянной.
|
|
|
|
При определении "коэффициента роста" авторы рассчитывают идеализированное значение, основанное на массе протона, массе электрона, скорости света и постоянной тонкой структуры, которая определяет силу электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами, такими как протон и электрон. Они рассчитали, что идеализированный прирост составит где-то около 8х10^-7 г/джоуль. Однако для жизни на основе углерода, подобной нашей, это значение не соответствовало бы идеализированному значению и выросло бы примерно до 10^-4 г/джоуль - примерно в соответствии с наблюдаемым значением для жизни на основе углерода на Земле.
|
|
|
|
С другой стороны, минимальное время удвоения может быть ограничено одним из двух способов. При наличии достаточного количества энергии ограничивающим фактором является скорость биохимических реакций, которые позволяют увеличить количество клеток. С другой стороны, при недостатке энергии фактор роста ограничен тем, насколько быстро жизнь может накапливать энергию для размножения. В обоих случаях описанная в статье модель, основанная на фундаментальных константах, точно предсказывает, по крайней мере, масштаб того, как эти процессы наблюдаются в полевых условиях. При наличии большого количества энергии бактерии могут удвоиться в размерах за несколько сотен секунд, в то время как при ограниченном количестве энергии им может потребоваться от десятков дней до сотен лет, чтобы удвоиться.
|
|
|
|
Борьба с энтропией в состоянии покоя - тяжелая работа для клетки, поскольку она постоянно теряет ионы, которые поддерживают ее "ионный градиент", отличающий ее от окружающей среды. Эти ионы выходят через "поры" в клетке, которые образуются из-за изменений в температурной среде клетки. Этот механизм основан как на тепловых, так и на кинетических константах, описанных выше, и рассчитан как равный примерно 3*10^-15 Вт/ячейка. Опять же, это согласуется с экспериментальными значениями 10^-16 Вт/ячейка.
|
|
|
|
Поскольку все модельные значения хорошо согласуются с измеренными экспериментально значениями этих биологических маркеров, авторы отмечают, что их фундаментальная предпосылка — что законы физики накладывают ограничения на клеточную жизнь — кажется верной. В основном эта модель полезна как основа для изучения того, как жизнь существует в нашей Вселенной по тем же физическим законам, и может быть использована для поиска жизни, отличной от нашей собственной. Это отличная работа по продолжению и расширению видения Вайскопфа о целостной структуре, основанной на описании всей Вселенной на основе первых принципов — даже такого сложного процесса, как жизнь, которому по-прежнему не хватает универсального "смысла", независимо от того, сколько ограничений мы на него накладываем.
|
|
|
|
Источник
|
