Физика объясняет жизнь: как фундаментальные константы задают правила для биологии

Есть физика с ее неизменными законами для всей Вселенной. И есть биология с ее видимым разнообразием живых систем. Эти две науки кажутся далекими друг от друга.

А вдруг главные свойства живого — его производительность, скорость и цена выживания — на самом деле определяются этими законами?

Этот вопрос изучили физики Панкадж Мехта и Яне Кондев. Их цель была не объяснить появление жизни. Они хотели показать, что некоторые ключевые параметры живых систем можно вычислить, имея только несколько физических констант. Например, скорость света, массу электрона и постоянную Планка.

Их работа продолжает идею физика Виктора Вайскопфа. В 1970-х годах он показал, как эти константы могут помочь оценить размер горы или плотность камня. Но Вайскопф не применял этот метод к биологии. Теперь этот пробел закрыт. Посмотрим, какие рамки физика устанавливает для живых систем.

Что такое жизнь с точки зрения физики?

Чтобы применить законы физики к биологии, нужно описать жизнь языком физики. С такой точки зрения, жизнь — это система, которая копирует себя и активно противостоит распаду. Она борется с энтропией — естественным стремлением к беспорядку.

Главный процесс здесь — самокопирование. На уровне химии это значит одно: создание новых молекул и химических связей. Здесь и проявляется физика. Энергия, нужная для создания или разрыва связи, и ее размер не являются случайными. Они выводятся напрямую из базовых констант.

Есть два главных числовых значения:

1. Энергия Ридберга (Ry) — это энергия связи электрона в атоме. Она задает масштаб энергии для химических реакций. Ее величина — 2.18 x 10⁻¹⁸ джоуля.
2. Тепловая энергия (kBT) — это энергия движения молекул из-за температуры. При комнатной температуре она в 500 раз меньше энергии Ридберга.

Эта большая разница — причина, по которой предметы вокруг нас стабильны. Химические связи очень крепкие по сравнению с тепловым движением. Чтобы запустить реакцию, клетке нужно приложить энергию. Это приводит нас к первому вычислению.

Сколько граммов жизни можно получить на один джоуль?

Каждый организм использует энергию для постройки своей массы. Насколько он производителен? Этот показатель называется массовый выход (Y). Он показывает, сколько граммов новой массы создается на один джоуль полученной энергии. Опыты показывают, что у многих одноклеточных это число почти одинаковое: около 0.0001 г/Дж.

Можно ли получить это число из законов физики? Логика вычисления такая.

Масса организма — это масса его атомов. Для их соединения в молекулы нужно создать химические связи. Затраты энергии — это число связей, умноженное на среднюю энергию одной связи, которая зависит от энергии Ридберга.

Если поделить массу организма на общие затраты энергии, получится массовый выход. И здесь есть важный момент. В итоговой формуле размер организма не имеет значения. Значение зависит только от базовых констант (массы протона, электрона, постоянной Планка) и состава биомассы (в основном, углерода).

Расчет по этой формуле дает значение, очень близкое к наблюдаемому 0.0001 г/Дж. Физика с большой точностью показывает основной предел производительности, с которой энергия становится живой материей.

Почему бактерия не может делиться мгновенно?

Скорость жизни бывает разной. Кишечная палочка удваивается за 20 минут. Бактерии на дне океана могут делать это сотни лет. Эти временные пределы также задает физика. Есть два главных ограничителя скорости копирования.

Сценарий первый: жизнь в достатке. Когда у клетки много ресурсов, ее скорость зависит от химии внутри — как быстро идут реакции. Эта скорость зависит от двух факторов: как часто молекулы сталкиваются и каков энергетический барьер для реакции. Физические формулы, построенные на константах, позволяют вычислить самое короткое время удвоения. Для E. coli расчет дает от десятков секунд до нескольких минут. Это совпадает с реальностью.

Сценарий второй: жизнь в недостатке. Когда клетка голодает, главным фактором становится не скорость внутренних процессов, а скорость получения энергии снаружи. Рост зависит от того, как быстро «еда» достигает клетки. Этот процесс также описывается законами физики. Зная количество источника энергии в среде, можно вычислить время, нужное для одного деления. Вычисления для бактерий в океане дают сроки от месяцев до сотен лет — это сходится с наблюдениями.

Сколько энергии нужно, чтобы просто быть?

Что делает клетка, когда не растет, а только выживает? Она все равно расходует энергию. Для чего? Чтобы поддерживать порядок.

Главная задача спящей клетки — сохранять правильный химический состав внутри. Клеточная мембрана помогает поддерживать разницу в количестве ионов внутри и снаружи.

Но этот барьер неполный. Тепловое движение создает в мембране маленькие спонтанные дыры. Через них ионы вытекают. Чтобы это исправить, клетка использует ионные насосы, чтобы вернуть их обратно. Это требует энергии.

Авторы вычислили эту минимальную мощность. Они оценили, как часто в мембране может появиться дыра, и скорость утечки ионов через нее. Получилось около 10⁻¹⁵ ватт на клетку. Это теоретическое число снова совпало с измерениями для спящих бактерий.

Общие правила для жизни

Эти выводы показывают, что жизнь, со всей ее вариативностью, следует ясным и вычислимым ограничениям. Эти ограничения задаются базовыми законами природы.

Эти законы, скорее всего, действуют везде. Значит, любая жизнь на основе химии в космосе будет иметь похожие ограничения. Ее производительность, максимальная скорость роста и расходы на выживание будут в тех же пределах, что и у земных организмов.

Возможно, самое важное предсказание относится к стабильности этих свойств. Расчеты времени роста и энергии выживания сильно зависят от небольших изменений условий. А формула для массового выхода — производительности роста — такой зависимости не имеет.

Это говорит о том, что эффективность роста — почти одинаковая величина для всей жизни, которая следует прямо из физики. Если мы будем искать жизнь на других планетах, знание этих базовых ограничений поможет понять, что именно искать.