Kilkuprocentowa zmiana stałej Plancka lub ładunku elektronu mogłaby sprawić, że krew stałaby się zbyt gęsta lub zbyt rzadka, by ciało mogło funkcjonować. Nowa analiza fizyka Kostyi Trachenko z Queen Mary University of London ujawnia drugi, niezależny filtr fine-tuningu, obok warunków potrzebnych do syntezy pierwiastków w gwiazdach, stałe fizyczne muszą też pozwalać płynom na przepływ użyteczny biologicznie. Oba warunki musiały być spełnione jednocześnie, zanim na Ziemi pojawiła się pierwsza żywa komórka.
Wyobraź sobie wszechświat, w którym gwiazdy świecą, planety krążą po orbitach, a woda wypełnia oceany, ale krew w żyłach ma konsystencję smoły. Żadna komórka nie mogłaby pobrać składników odżywczych, żaden organ nie dostałby tlenu, metabolity gromadziłyby się w tkankach niczym w zatkanej rynnie. Nowe badanie z Queen Mary University of London pokazuje, że to nie jest fantazja: wystarczyłaby kilkuprocentowa zmiana podstawowych stałych fizycznych, by taki scenariusz stał się nieuchronny.
Najważniejsze:
- Fizyk Kostya Trachenko z Queen Mary University of London opublikował w czasopiśmie Science Advances analizę pokazującą dodatkowe ograniczenie na wartości stałych fizycznych wszechświata: muszą one pozwalać płynom poruszać się w sposób umożliwiający procesy życiowe wewnątrz i między komórkami.
- Wcześniejsze badania nad fine-tuningiem skupiały się na warunkach potrzebnych do syntezy pierwiastków w gwiazdach; Trachenko dodaje do tej listy osobny, niezależny warunek dotyczący przepływu płynów.
- Warunki sprzyjające biologicznemu przepływowi płynów istniały miliardy lat przed pojawieniem się pierwszych żywych komórek.
- Odrębne badanie pokazało, że lepkość krwi, mimo jej złożonej budowy, jest zaskakująco bliska wartości wynikającej z podstawowych stałych natury.
- Wyniki pochodzą z modeli teoretycznych, nie z eksperymentów ze zmianą stałych; dokładne granice tolerancji różnych form życia pozostają niepewne.
Problem, który zaczął się od granicy lepkości wody
Pytanie o to, dlaczego stałe fizyczne mają akurat takie, a nie inne wartości, nurtuje fizyków od dawna. Klasyczne podejście do tak zwanego fine-tuningu, czyli precyzyjnego dostrojenia, koncentrowało się na warunkach potrzebnych do syntezy ciężkich pierwiastków wewnątrz gwiazd. Argumentowano, że gdyby stałe były inne, węgiel i tlen w ogóle by nie powstały, a bez nich nie byłoby chemii organicznej. To już samo w sobie nakłada wąskie ograniczenia na dopuszczalne wartości stałych.
Trachenko ruszył jednak inną ścieżką. W 2020 roku wraz z zespołem wykazał, że podstawowe stałe fizyczne wyznaczają dolną granicę lepkości cieczy, nie można zbudować cieczy, która płynęłaby swobodniej, niż pozwalają na to prawa natury. To odkrycie samo w sobie było zaskakujące, bo łączyło pozornie odległe dziedziny: mechanikę kwantową i codzienne zjawisko przelewania herbaty. Analiza opublikowana w Science Advances poszła krok dalej i sprawdziła, co ta zależność oznacza dla biologii i właśnie tu pojawia się coś, czego wcześniejsze analizy fine-tuningu nie uwzględniały.
Dlaczego lepkość płynów decyduje o istnieniu życia
Każda żywa komórka potrzebuje nieustannego ruchu cząsteczek. Składniki odżywcze muszą do niej docierać, produkty przemiany materii, być na bieżąco usuwane, a niezliczone reakcje chemiczne zachodzą wyłącznie w środowisku płynnym. Gdy ten transport zawodzi, skutki są konkretne: przy zbyt wysokiej lepkości tlen nie dociera do mitochondriów, metabolity kumulują się jak toksyny, a procesy takie jak osmoregulacja czy transport aktywny przez błony komórkowe stają się energetycznie nieopłacalne lub wręcz niemożliwe. Kluczową rolę odgrywa też dyfuzja, naturalne rozprzestrzenianie się cząstek w cieczy, warunkujące m.in. przepuszczalność błon i sygnalizację między komórkami.
Lepkość, czyli opór, jaki płyn stawia podczas przepływu, bezpośrednio reguluje efektywność tych procesów. Woda ma niską lepkość i łatwo się przelewa, miód czy smoła, wysoką i płyną powoli. Zbyt gęsty płyn uniemożliwia sprawny transport materiałów wewnątrz komórki, zbyt rzadki zaburza kontrolowany przepływ potrzebny do prawidłowego działania biologicznych mechanizmów.
Trachenko tłumaczył tę zależność, wskazując, że zrozumienie, jak ciecz przepływa w naczyniu, okazuje się nierozerwalnie powiązane z fundamentalnym pytaniem o wartości stałych fizycznych. Procesy życiowe w komórkach i między nimi wymagają ruchu, a to właśnie lepkość wyznacza charakter tego ruchu, gdyby stałe fundamentalne miały inne wartości, lepkość zmieniłaby się razem z nimi, co odbiłoby się na życiu w jego obecnej postaci. Jako skrajny przykład wskazał sytuację, w której woda osiągałaby lepkość smoły: życie w takiej formie jak znamy albo drastycznie by się przekształciło, albo w ogóle nie mogłoby istnieć.
Ograniczenie to dotyczy nie tylko wody. Hipotetyczne organizmy gdzieś we wszechświecie, korzystające z innych cieczy jako środowiska życia, podlegałyby tym samym fizycznym regułom, te same stałe, które wyznaczają lepkość wody, wyznaczają lepkość każdej innej cieczy.
Okno możliwości: węższe niż myśleliśmy i podwójnie zatrzaśnięte
Kluczowy wniosek badania dotyczy szerokości dopuszczalnego zakresu wartości stałych. Trachenko szacował, że okno to jest zaskakująco wąskie: kilkuprocentowa zmiana takich stałych jak stała Plancka czy ładunek elektronu wystarczyłaby, by lepkość ludzkiej krwi przekroczyła granice biologicznej funkcjonalności, stała się zbyt wysoka albo zbyt niska dla prawidłowego działania organizmu. Każda taka zmiana, niezależnie od kierunku, byłaby złą wiadomością zarówno dla przepływu płynów, jak i dla opartego na nich życia.
Warto to skonfrontować z tym, czego fine-tuning dotyczył wcześniej. Stałe fizyczne mogą w zasadzie przyjmować wartości różniące się o wiele rzędów wielkości, a mimo to życie toleruje jedynie kilkuprocentowe odchylenie od wartości obserwowanych. Klasyczne argumenty wskazywały, że stałe muszą mieścić się w określonym zakresie, by gwiazdy mogły syntetyzować ciężkie pierwiastki. Trachenko pokazuje jednak, że nawet gdyby stałe pozwalały na syntezę węgla i tlenu, ale jednocześnie dawały płynom zbyt wysoką lepkość, życie i tak byłoby niemożliwe.
To dwa niezależne filtry nakładające się na siebie i oba muszą być spełnione jednocześnie. Jeśli pierwsze badania nad fine-tuningiem zawężały dopuszczalny zakres stałych ze względu na syntezę pierwiastków, nowy warunek dotyczący lepkości nakłada na ten zakres kolejne, niezależne ograniczenie. Wszechświat przyjazny życiu okazuje się wymagać więcej obowiązkowych składników, niż dotąd sądzono.
| Wcześniejszy warunek fine-tuningu | Nowy warunek (Trachenko) |
|---|---|
| Stałe muszą umożliwiać syntezę ciężkich pierwiastków w gwiazdach (węgiel, tlen) | Stałe muszą pozwalać płynom na przepływ biologicznie użyteczny |
| Dotyczy skali kosmicznej (jądra atomowe, gwiazdy) | Dotyczy skali komórkowej (dyfuzja, transport molekularny, osmoregulacja) |
| Warunek konieczny do powstania składników chemii organicznej | Warunek konieczny do funkcjonowania życia, nawet jeśli składniki są dostępne |
| Badany od dziesięcioleci | Zidentyfikowany jako osobne ograniczenie po raz pierwszy |
Gwiazdy dostarczyły składników, ale to za mało
Te same stałe fizyczne, które decydują o przepływie płynów, rządzą również reakcjami jądrowymi tworzącymi ciężkie pierwiastki wewnątrz gwiazd. Warunki sprzyjające biologicznemu przepływowi płynów istniały miliardy lat przed pojawieniem się życia, co oznacza, że wszechświat musiał jednocześnie spełnić dwa niezależne warunki, nie jeden. Zdolność do wyprodukowania chemicznych składników życia nie gwarantuje, że życie będzie mogło realnie funkcjonować: hipotetyczny wszechświat mógłby bez przeszkód produkować węgiel i tlen, a jednocześnie mieć płyny tak gęste, że żadna komórka nie byłaby w stanie w nich działać.
Krew pod lupą fizyków: złożoność kontra teoria
Badacze nie poprzestali na teorii dotyczącej prostych cieczy. W odrębnym badaniu Trachenko i jego zespół sprawdzili, jak stałe fundamentalne wpływają na bardziej złożone płyny biologiczne, przede wszystkim na krew.
Krew to nie prosta ciecz. To mieszanina osocza, czerwonych krwinek, płytek i innych składników, a jej lepkość zależy nie tylko od właściwości molekularnych, ale też od dynamicznych oddziaływań między tymi elementami. Czerwone krwinki potrafią tworzyć skupiska zwiększające opór przepływu; gdy krew przyspiesza, skupiska te się rozpadają, co ułatwia jej płynięcie. Pod względem fizycznym to układ wielokrotnie bardziej skomplikowany niż czysta woda.
Mimo tej złożoności i stosunkowo dużych rozmiarów czerwonych krwinek naukowcy odkryli coś nieoczekiwanego: lepkość krwi, mierzona w skali fundamentalnej fizyki, pozostaje zaskakująco bliska wartości teoretycznej wyprowadzonej z podstawowych stałych natury. To odkrycie jest szczególnie wymowne właśnie dlatego, że krew jest tak skomplikowana, spodziewano się, że biologiczna złożoność wyraźnie oddali ją od prostych przewidywań teorii. Tak się nie stało.
Co to oznacza dla poszukiwania życia pozaziemskiego i filozofii fizyki
Wyniki mają dwa poziomy implikacji. Pierwszy, praktyczny, dotyczy astrobiologii. Jeśli okno wartości stałych sprzyjających życiu jest rzeczywiście bardzo wąskie, to każdy wszechświat o fizyce podobnej do naszej, a w ramach teorii wieloświatu rozważa się istnienie wielu takich wszechświatów, musiałby mieć zbliżoną lepkość płynów. Oznaczałoby to, że życie oparte na płynach, gdziekolwiek by istniało, działa w podobnych ograniczeniach fizycznych. To pośrednia wskazówka, że szukając życia pozaziemskiego, powinniśmy koncentrować się na środowiskach, gdzie ciekła woda lub inne płyny zachowują się podobnie jak u nas.
Drugi poziom jest filozoficzny. Odkrycie nie odpowiada na pytanie, dlaczego stałe mają takie, a nie inne wartości, nie rozstrzyga między wyjaśnieniami odwołującymi się do projektu, zasady antropicznej ani wieloświatu. Sprawia jednak, że pytanie staje się trudniejsze do zbagatelizowania: prawa fizyki okazują się dopasowane do działania życia na poziomie, który wcześniej pozostawał poza radarem debaty o fine-tuningu, mianowicie na poziomie zwykłego przepływu płynu w komórce czy w naczyniu krwionośnym.
Wszystkie te przewidywania wynikają z modeli teoretycznych, a nie z eksperymentów, w których naukowcy faktycznie zmieniali stałe fizyczne, co oczywiście nie jest możliwe. Dokładne granice tolerancji różnych form życia pozostają przedmiotem dalszych badań.
Najczęściej zadawane pytania
Czym są stałe fundamentalne fizyki i dlaczego nie można ich zmienić?
To liczby rządzące działaniem wszechświata, masa i ładunek elektronu, stała Plancka i inne. Są uznawane za uniwersalne i niezmienne w czasie. Naukowcy nie potrafią ich zmieniać eksperymentalnie; analizy fine-tuningu polegają na obliczaniu, co by się stało, gdyby miały inne wartości, przy zachowaniu reszty praw fizyki.
Co odróżnia odkrycie Trachenko od wcześniejszych argumentów za fine-tuningiem?
Wcześniejsze argumenty skupiały się głównie na warunkach potrzebnych do syntezy ciężkich pierwiastków w gwiazdach. Trachenko identyfikuje osobny, logicznie niezależny warunek: stałe muszą także pozwalać płynom na przepływ biologicznie użyteczny. Oba warunki muszą być spełnione jednocześnie, spełnienie tylko jednego z nich nie wystarczy.
Jak wąskie jest okno fizyki sprzyjające życiu?
Według szacunków Trachenko już kilkuprocentowa zmiana takich stałych jak stała Plancka czy ładunek elektronu mogłaby sprawić, że lepkość krwi przekroczyłaby biologiczne granice funkcjonalności. To bardzo mała zmiana jak na parametr fizyczny, który może w zasadzie przyjmować wartości różniące się o wiele rzędów wielkości. Dokładne granice tolerancji pozostają jednak przedmiotem dalszych badań.
Jakie eksperymenty mogłyby pośrednio zweryfikować te przewidywania?
Bezpośrednia zmiana stałych fizycznych jest niemożliwa. Pośrednio można by testować przewidywania, obserwując, jak organizmy żywe reagują na ekstremalne zmiany lepkości środowiska, na przykład przez modyfikację ciśnienia w komorze eksperymentalnej i rejestrowanie granicy, przy której komórki przestają funkcjonować. Gdyby ta granica tolerancji pokrywała się z granicą wynikającą z teorii stałych fundamentalnych, byłby to istotny sygnał potwierdzający. To jednak tylko przybliżenie, bo teoria dotyczy zmian samych stałych, nie warunków zewnętrznych.
Czy badanie dowodzi, że wszechświat został zaprojektowany pod życie?
Nie. Badanie pokazuje, że prawa fizyki muszą spełniać dodatkowy warunek związany z przepływem płynów, niezależny od warunków potrzebnych do powstania pierwiastków w gwiazdach. Nie wyjaśnia, dlaczego te wartości stałych w ogóle istnieją, i nie przesądza między wyjaśnieniami odwołującymi się do projektu, do zasady antropicznej ani do wieloświatu.
Materiał przygotowany z wykorzystaniem narzędzi sztucznej inteligencji.
Fot. Ron Lach / Pexels
Komentarze (0)