Определение жизни через константы физики
Новая работа Панкаджа Мехты из Бостонского университета и Джейн Кондева из Университета Брандейса, размещённая на сервере препринтов arXiv, исследует, как фундаментальные физические константы могут быть применены к известной нам жизни — и даже к ещё неизвестной.
Их исследование вдохновлено работами Виктора Вайскопфа, который в 1970-х годах выводил свойства материи из «первых принципов» физических констант, но исключил из рассмотрения один важный тип материи — жизнь.
Определение жизни
Для своего анализа авторы определяют жизнь как «новую форму неравновесной самоорганизованной материи, определяющей чертой которой является высокоточное самовоспроизведение». Проще говоря, жизнь стремится поддерживать свою отдельность от окружающей среды и воспроизводиться.
Три фундаментальных свойства жизни
Эти свойства, согласно работе, можно вывести из физических констант Вселенной:
- Выход роста (Growth Yield): количество биомассы, производимой на единицу энергии (джоуль). Идеализированное значение, рассчитанное на основе массы протона, массы электрона, скорости света и постоянной тонкой структуры, составляет около 8×10−7 г/Дж. Для углеродной жизни (как на Земле) это значение возрастает до ~10−4 г/Дж, что соответствует наблюдаемым данным.
- Минимальное время удвоения: самый быстрый возможный
срок удвоения числа организмов.
- При изобилии энергии лимитирующим фактором является скорость биохимических реакций (сотни секунд для бактерий).
- При ограниченной энергии — скорость сбора энергии для размножения (от десятков дней до сотен лет).
- Минимальное энергопотребление в состоянии покоя: энергия, необходимая для поддержания целостности клетки против энтропии. Рассчитанное значение — ~3×10−15 Вт/клетка, что близко к экспериментальным данным (10−16 Вт/клетка).
Физические основы модели
Свойства жизни выводятся из комбинации квантовых (постоянная Планка, массы частиц, скорость света) и термодинамических (постоянная Больцмана, температура) констант. Они определяют такие величины, как боровский радиус, энергия Ридберга и «кинетическая временная шкала» для биологического воспроизведения.
Значение работы
Расчётные значения модели хорошо согласуются с измеренными биологическими показателями. Это подтверждает основную предпосылку: законы физики накладывают ограничения на клеточную жизнь.
Модель служит теоретической основой для понимания жизни в нашей Вселенной и может помочь в поиске жизненных форм, отличных от земной. Она развивает идею Вайскопфа о полном описании Вселенной, включая и такой «капризный» процесс, как жизнь, — даже если её универсальный «смысл» остаётся загадкой.