Физика объясняет жизнь: как фундаментальные константы задают правила для биологии

Почему бактерия не может делиться быстрее: что физика говорит о пределах жизни

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? Недавно физики Панкадж Мехта и Яне Кондев решили проверить эту идею. Они не пытались объяснить, как появилась жизнь. Они хотели показать: некоторые ключевые параметры живых систем можно вычислить, имея лишь несколько фундаментальных констант — скорость света, массу электрона и постоянную Планка. Их результаты удивляют точностью.

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. Энергия, нужная для создания или разрыва связи, и ее размер не случайны. Они выводятся напрямую из базовых констант. Есть два главных числовых значения:

• Энергия Ридберга (Ry) — энергия связи электрона в атоме. Она задает масштаб для химических реакций. Ее величина — 2.18 x 10⁻¹⁸ джоуля.
• Тепловая энергия (kBT) — 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. Отсюда и начинаются вычисления.

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: у многих одноклеточных это число почти одинаковое — около 0.0001 г/Дж. Можно ли получить это число из законов физики? Логика 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 тут 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 дает значение, очень близкое к наблюдаемому 0.0001 г/Дж. Физика с большой точностью показывает основной предел производительности, с которой энергия становится живой материей.

Недавно я заметил, что многие думают, будто эффективность роста — произвольная вещь, разная для разных видов. А она оказывается почти одинаковой для всей жизни. И это не случайность — это физика.

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. Разберем их в таблице.

В первом сценарии жизнь в достатке. Когда у клетки много ресурсов, ее скорость зависит от того, как быстро идут реакции внутри. 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.

Во втором сценарии 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.

Пошаговый совет: как прикинуть минимальное время деления клетки

Если хотите грубо оценить, как быстро может делиться незнакомая бактерия:

• Шаг 1. Определите, в каких условиях она живет — изобилие или голод.
• Шаг 2. Для изобилия используйте формулу, основанную на энергии Ридберга и тепловой энергии: минимальное время ~ (энергия связей)/(скорость ферментативных реакций). На практике для типичной клетки это минуты.
• Шаг 3. Для голода оцените концентрацию питательных веществ в среде. Время деления ~ (концентрация клетки)/(скорость диффузии молекул). Если питание очень разбавлено — сроки растягиваются на годы.

Эти оценки никогда не дадут точных цифр, но они показывают, какие пределы ставит физика. Если вам говорят, что бактерия делится за секунду — скорее всего, это нарушает законы природы.

Что это значит для поиска внеземной жизни

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

Резюме автора: Физика не говорит биологии, что делать. Она говорит: «Дальше этого предела ты не пройдешь». Пределы скорости, массы и энергозатрат — не догадки, а расчеты. И они чертовски точно совпадают с реальностью. Возможно, это один из самых красивых примеров того, как фундаментальные законы управляют даже самым сложным — жизнью.