Физиката обяснява живота: как фундаменталните константи определят правилата на биологията

Физиката има своите неизменни закони за цялата вселена. Съществува и биологията с нейното видимо разнообразие от живи системи. Тези две науки изглеждат далеч една от друга.

Но какво да кажем, ако основните свойства на живите организми – тяхната продуктивност, скорост и цената на оцеляването – всъщност се определят именно от тези закони?

Физиците Панкай Мехта и Яне Кондев проучиха този въпрос. Целта им не е била да обяснят появата на живота. Те са искали да покажат, че някои ключови параметри на живите системи могат да бъдат изчислени само с няколко физически константи. Например скоростта на светлината, масата на електрона и константата на Планк.

Тяхната работа продължава идеята на физика Виктор Вайскопф. През 70-те години на миналия век той показва как тези константи могат да помогнат за определяне на размера на планина или плътността на скала. Но Вайскопф не е приложил метода в областта на биологията. Този пропуск вече е преодолян. Нека да видим в какви рамки физиката определя живите системи.

Какво представлява животът от гледна точка на физиката?

За да приложим законите на физиката към биологията, трябва да опишем живота на езика на физиката. От тази гледна точка животът е система, която се самовъзпроизвежда и активно се съпротивлява на разпадането. Той се бори с ентропията – естествената тенденция към безпорядък.

Основният процес тук е самокопирането. На ниво химия това означава едно: създаване на нови молекули и химични връзки. Тук се намесва физиката. Енергията, необходима за създаването или разкъсването на една връзка, и нейният размер не са случайни. Те се получават директно от основните константи.

Съществуват две основни числови стойности:

• Енергията на Ридберг (Ry) е енергията на свързване на електрона в атома. Тя определя енергийната скала за химичните реакции. Стойността ѝ е 2,18 x 10-¹⁸ джаула.
• Топлинната енергия (kBT) е енергията на движение на молекулите, дължаща се на температурата. При стайна температура тя е 500 пъти по-малка от енергията на Ридберг.

Тази голяма разлика е причината обектите около нас да са стабилни. Химичните връзки са много силни в сравнение с топлинното движение. За да започне реакция, клетката трябва да упражни енергия. Така стигаме до първото изчисление.

Колко грама живот може да се получи за един джаул?

Всеки организъм използва енергия, за да изгради своята маса. Колко продуктивен е той? Този показател се нарича масов разход (Y). Той показва колко грама нова маса се създава за един джаул произведена енергия. Експериментите показват, че при много едноклетъчни организми това число е почти еднакво: около 0,0001 g/J.

Може ли това число да се изведе от законите на физиката? Логиката на изчислението е следната.

Масата на един организъм е масата на неговите атоми. Трябва да се създадат химични връзки, за да се свържат те в молекули. Енергийният разход е броят на връзките, умножен по средната енергия на една връзка, която зависи от енергията на Ридберг.

Ако разделите масата на организма на общия разход на енергия, ще получите масовия рандеман. И тук има един важен момент. В крайната формула размерът на организма няма значение. Стойността зависи само от основните константи (масата на протоните, масата на електроните, константата на Планк) и от състава на биомасата (основно въглерод).

Изчисленията по тази формула дават стойност, много близка до наблюдаваната 0,0001 g/J. Физиката показва с голяма точност основната граница на производителност, при която енергията се превръща в жива материя.

Защо една бактерия не може да се дели мигновено?

Скоростта на живота се проявява в много форми. Escherichia coli се удвоява за 20 минути. Бактериите на дъното на океана могат да го правят в продължение на стотици години. Тези времеви граници са определени и от физиката. Съществуват две основни ограничения на скоростта на дублиране.

Първи сценарий: живот в изобилие. Когато клетката разполага с много ресурси, скоростта ѝ зависи от химията в нея – колко бързо протичат реакциите. Тази скорост зависи от два фактора: колко често се сблъскват молекулите и каква е енергийната бариера за реакцията. Физическите формули, основани на константите, ни позволяват да изчислим най-краткото време за удвояване. За E. coli изчислението дава от десетки секунди до няколко минути. Това съвпада с действителността.

Втори сценарий: живот в недостиг. Когато клетката гладува, основен фактор става не скоростта на вътрешните процеси, а скоростта на получаване на енергия отвън. Растежът зависи от това колко бързо „храната“ достига до клетката. Този процес също се описва от законите на физиката. Като се знае количеството на енергийния източник в околната среда, може да се изчисли времето, необходимо за едно делене. Изчисленията за бактериите в океана дават времева скала от месеци до стотици години – това съвпада с наблюденията.

Колко енергия е необходима, за да съществуваме?

Какво прави клетката, когато не расте, а само оцелява? Тя продължава да изразходва енергия. За да прави какво? За да поддържа ред.

Основната задача на спящата клетка е да поддържа правилния химичен състав в нея. Клетъчната мембрана помага да се поддържа разликата в броя на йоните във вътрешността и извън нея.

Но тази бариера е непълна. Топлинното движение създава малки спонтанни отвори в мембраната. През тях изтичат йони. За да поправи това, клетката използва йонни помпи, за да ги върне обратно. Това изисква енергия.

Авторите са изчислили тази минимална мощност. Те са изчислили колко често може да се появи отвор в мембраната и каква е скоростта, с която йоните изтичат през него. Получили са около 10-¹⁵ вата на клетка. Това теоретично число отново съвпада с измерванията за хиберниращите бактерии.

Общите правила за живота

Тези открития показват, че животът, с цялото си разнообразие, се подчинява на ясни и изчислими ограничения. Тези ограничения се определят от основните природни закони.

Тези закони най-вероятно се прилагат навсякъде. Така че всеки живот в космоса, основан на химията, ще има подобни ограничения. Неговата продуктивност, максимален темп на растеж и разходи за оцеляване ще бъдат в същите граници като тези на земните организми.

Може би най- важната прогноза е свързана със стабилността на тези свойства. Изчисленията на времето за растеж и енергията за оцеляване са силно зависими от малките промени в условията. А формулата за масовия разход – продуктивността на растежа – няма такава зависимост.

Това предполага, че ефективността на растежа е почти еднаква за всички живи организми, което следва директно от физиката. Ако търсим живот на другите планети, познаването на тези основни ограничения ще ни помогне да разберем какво точно да търсим.