جهانی را تصور کنید که در آن ستاره ها هنوز می درخشند، سیارات هنوز شکل می گیرند و آب وجود دارد، اما مایعات آنقدر متراکم هستند که سلول های زنده به سختی می توانند کار کنند. حتی با وجود مواد شیمیایی برای زندگی، شرایط می تواند موجودات زنده را غیرممکن کند.
دانشمندان ارتباط قابل توجهی بین قوانین اساسی فیزیک و توانایی وجود حیات کشف کرده اند. یافته‌های آنها نشان می‌دهد که حتی تغییرات نسبتاً کوچک در برخی از اساسی‌ترین ثابت‌های فیزیکی جهان می‌تواند به‌طور چشمگیری روش جریان سیالات را تغییر دهد و به طور بالقوه از وقوع فرآیندهای بیولوژیکی اساسی جلوگیری کند.
این کشف به تفصیل در یک مطالعه منتشر شده در پیشرفت علمیفیزیکدان کوستیا تراچنکو از دانشگاه کوئین مری لندن. تجزیه و تحلیل نظری او یک محدودیت اضافی را در مقادیر ثابت های فیزیکی اساسی شناسایی کرد: آنها باید به سیالات اجازه دهند تا به روش هایی حرکت کنند که از حیات در داخل و بین سلول ها پشتیبانی کند.
این اثر یک سوال عمیق را در مورد جهان مطرح می کند. چرا قوانین اساسی طبیعت دارای ارزش هایی هستند که برای وجود زندگی بسیار مناسب به نظر می رسند؟
ثابت های اساسی که جهان ما را شکل می دهند
ثابت‌های فیزیکی بنیادی اعدادی هستند که بر نحوه عملکرد جهان نظارت می‌کنند. به عنوان مثال می توان به جرم و بار الکتریکی الکترون و ثابت پلانک اشاره کرد که نقش اصلی را در مکانیک کوانتومی ایفا می کند، شاخه ای از فیزیک که ماده و انرژی را در مقیاس های بسیار کوچک توصیف می کند.
این مقادیر عموماً جهانی و تغییرناپذیر در نظر گرفته می شوند. ارزش‌های آنها بر همه چیز تأثیر می‌گذارد، از رفتار اتم‌ها و پیوندهای شیمیایی گرفته تا واکنش‌های هسته‌ای که ستارگان را نیرو می‌دهند و عناصر ضروری برای زندگی را تولید می‌کنند.
علیرغم اهمیت آنها، دانشمندان هنوز نمی دانند که چرا این ثابت ها دارای مقادیر خاصی هستند که ما مشاهده می کنیم.
یک سرنخ مهم در سال 2020 به دست آمد، زمانی که تراچنکو و همکارانش نشان دادند که ثابت‌های فیزیکی اساسی یک حد پایین‌تری برای ویسکوزیته مایعات تعیین می‌کنند.
ویسکوزیته بیان می کند که یک مایع چقدر در برابر جریان مقاومت می کند. ویسکوزیته آب نسبتاً کم است و به راحتی می ریزد، در حالی که عسل و قطران بسیار چسبناک تر هستند و به آرامی حرکت می کنند. محققان نشان دادند که یک محدودیت اساسی برای آزادانه جریان یک مایع وجود دارد و این محدودیت در نهایت به ثابت های اساسی طبیعت مربوط می شود.
مطالعه 2023 این پیوند را با بررسی پیامدهای آن برای زیست شناسی گسترش داد.
چرا تغییرات کوچک در فیزیک می تواند زندگی را غیرممکن کند؟
هر سلول زنده به حرکت مولکول ها بستگی دارد. مواد مغذی باید به مکان هایی برسند که مورد نیاز هستند، مواد زائد باید حمل و نقل شوند و واکنش های شیمیایی بی شماری باید در یک محیط سیال رخ دهد.
یکی دیگر از فرآیندهای مهم انتشار، انتشار طبیعی ذرات از طریق مایع است. انتشار به مولکول ها کمک می کند تا در سلول ها حرکت کنند و بسیاری از فعل و انفعالات شیمیایی لازم برای زندگی را ممکن می کند.
اگر ویسکوزیته این سیالات بیش از حد تغییر کند، این فرآیندها می توانند به طور جدی مختل شوند. سیالات بیش از حد غلیظ می توانند از حرکت موثر مواد حیاتی جلوگیری کنند، در حالی که ویسکوزیته بسیار کم نیز می تواند از جریان کنترل شده لازم برای عملکردهای بیولوژیکی جلوگیری کند.
تراچنکو این ارتباط شگفت انگیز را توضیح داد:
فهمیدن اینکه چگونه آب در یک لیوان جریان می‌یابد، ارتباط نزدیکی با چالش بزرگ درک ثابت‌های بنیادی دارد. فرآیندهای حیات در سلول‌های زنده و بین سلول‌های زنده نیاز به حرکت دارند، و این ویسکوزیته است که ویژگی‌های آن حرکت را تعیین می‌کند. اگر ثابت‌های بنیادی تغییر کنند، ویسکوزیته در زندگی همانطور که می‌دانیم خیلی تغییر می‌کند. این در مورد زندگی پس از مرگ آب صدق می کند، بنابراین تمام اشکال حیات که از حالت مایع برای عملکرد استفاده می کنند تحت تأثیر قرار می گیرند.
پیامدها فراتر از آب است. اگرچه تمام حیات شناخته شده به آب بستگی دارد، موجودات فرضی در سایر نقاط جهان ممکن است به مایعات مختلفی متکی باشند. همان محدودیت های فیزیکی اساسی همچنان بر رفتار این مایعات تأثیر می گذارد.
تراچنکو پیشنهاد کرد که محدوده ثابت های سازگار با حیات سلولی ممکن است به طرز شگفت انگیزی باریک باشد.
“هر گونه تغییر در ثابت های اساسی، از جمله افزایش یا کاهش، به همان اندازه برای جریان و زندگی مبتنی بر سیال خبر بدی خواهد بود. ما انتظار داریم که پنجره کاملاً باریک باشد: به عنوان مثال، ویسکوزیته خون ما برای عملکرد بدن بسیار غلیظ یا نازک تر از آن می شود که تنها با چند درصد تغییر در برخی از ثابت های اساسی مانند ثابت پلانک یا بار الکترون.”
این پیش‌بینی‌ها از مدل‌های نظری می‌آیند، نه از آزمایش‌هایی که در آن دانشمندان در واقع ثابت‌های بنیادی را تغییر می‌دهند. محدودیت‌های دقیقی که اشکال مختلف زندگی می‌توانند تحمل کنند نامشخص است.
راز کیهانی میلیاردها سال در حال ساخت است
چیزی که یافته‌ها را به‌ویژه جذاب می‌کند این است که همان ثابت‌های بنیادی که بر جریان مایع تأثیر می‌گذارند، بر واکنش‌های هسته‌ای که مسئول ایجاد عناصر سنگین در ستارگان هستند نیز حاکم است.
مدت ها قبل از ظهور اولین سلول های زنده، ستارگان عناصری مانند کربن و اکسیژن را تولید کردند که در نهایت به اجزای اصلی موجودات زنده تبدیل شدند.
فیزیکدانان مدت‌ها تحقیق کرده‌اند که آیا ثابت‌های حاکم بر این فرآیندهای هسته‌ای باید در محدوده‌های خاصی قرار گیرند تا ماده پیچیده وجود داشته باشد. اما توانایی ایجاد مواد شیمیایی حیات لزوماً تضمینی برای عملکرد حیات نیست.
تجزیه و تحلیل تراچنکو نشان داد که برخی از خواص فیزیکی حاکم بر جریان مایع را می توان بدون ایجاد اختلال در ترکیب ثابت های مورد نیاز برای تولید هسته های سنگین در ستارگان تغییر داد.
به عبارت دیگر، یک جهان فرضی همچنان می‌تواند عناصر لازم برای زندگی را تولید کند، در حالی که مایعات آنقدر چسبناک است که فرآیندهای سلولی نمی‌توانند عمل کنند.
این بدان معناست که شرایط لازم برای حمایت از حیات ممکن است بیش از توانایی تشکیل ستارگان، سیارات و شیمی پیچیده باشد. خواص فیزیکی مایعات ممکن است نیازهای اضافی را بر ثابت های اساسی جهان تحمیل کند.
تحقیقات بعدی ارتباط شگفت انگیزی را با خون نشان داد
تحقیقات پس از کشف اولیه ادامه یافت.
در یک مطالعه پیگیری که در ژانویه 2025 منتشر شد، مجله فیزیکی اروپا Eتراچنکو و همکارانش بررسی کردند که چگونه ثابت های فیزیکی اساسی بر مایعات بیولوژیکی پیچیده تر، به ویژه خون تأثیر می گذارند.
برخلاف آب، خون مخلوط پیچیده ای است که حاوی پلاسما، گلبول های قرمز، پلاکت ها و سایر اجزا است. ویسکوزیته آن نه تنها به خواص مولکولی، بلکه به نحوه تعامل این اجزا نیز بستگی دارد.
به عنوان مثال، گلبول های قرمز خون می توانند خوشه هایی تشکیل دهند که مقاومت در برابر جریان را افزایش می دهند. همانطور که خون سریعتر حرکت می کند، این توده ها می توانند شکسته شوند و به آن اجازه می دهند راحت تر جریان یابد. این رفتار خون را به طور قابل توجهی پیچیده تر از یک مایع ساده می کند.
محققان چیزی غیرمنتظره پیدا کردند. علیرغم پیچیدگی بسیار زیاد خون و اندازه نسبتاً بزرگ گلبول‌های قرمز، ویسکوزیته آن در مقیاس فیزیکی بنیادی به‌طور شگفت‌آوری نزدیک به یک مقدار نظری است که از ثابت‌های فیزیکی پایه به دست می‌آید.
آنها فرض کردند که فعل و انفعالات بین سلول های خونی با فاصله نزدیک ممکن است به توضیح این رابطه کمک کند. اگرچه گلبول‌های قرمز بسیار بزرگ‌تر از اتم‌ها هستند، نیروهایی که در محل کار سطوح آنها به یکدیگر نزدیک می‌شوند، شامل فواصل کافی برای تأثیرات مولکولی و کوانتومی بر ماده هستند.
تجزیه و تحلیل 2025 همچنین یک عارضه مهم را برجسته کرد. ارزیابی اینکه کدام ثابت‌های بنیادی با حیات سازگار هستند، مستلزم در نظر گرفتن ویژگی‌های ذاتی سیالات تعیین‌شده توسط فیزیک بنیادی و اثرات اضافی ایجاد شده توسط برهمکنش بین سلول‌ها و مولکول‌ها است.
این یافته‌ها چارچوب دقیق‌تری را برای بررسی رابطه بین ویژگی‌های فیزیکی بنیادی جهان و فرآیندهای بیولوژیکی که به آنها وابسته هستند، ارائه می‌کند.
آیا قوانین فیزیک ممکن است تکامل یافته باشند؟
این تحقیق همچنین به یک معمای عمیق‌تر اشاره می‌کند: چرا ثابت‌های بنیادی دارای مقادیری هستند که به بسیاری از فرآیندهای فیزیکی مختلف اجازه می‌دهد با هم کار کنند؟
یکی از احتمالات احتمالی مطرح شده توسط تراچنکو این است که چندین اشکال تنظیم دقیق ممکن است دخیل باشند. مقادیری که به ستاره‌ها اجازه می‌دهد عناصر سنگین تولید کنند و مقادیری که به مایعات اجازه می‌دهد از حیات سلولی پشتیبانی کنند، ممکن است نیازهای جداگانه‌ای را نشان دهند.
او قیاس جالبی با تکامل بیولوژیکی ارائه کرد که در آن صفات مفید مختلف می توانند از طریق فرآیندهای جداگانه ظاهر شوند.
شاید برخی از اصول تکاملی گسترده‌تر بتوانند به توضیح چگونگی رسیدن طبیعت به ترکیبی از خواص فیزیکی که قادر به حفظ ساختارهای پایدار و سیستم‌های پیچیده‌تر هستند کمک کند.
در حال حاضر، این فقط یک حدس باقی مانده است. دانشمندان ثابت نکرده‌اند که ثابت‌های بنیادی از طریق چنین مکانیزمی تکامل می‌یابند، و همچنین تعیین نکرده‌اند که چرا این ثابت‌ها مقادیر مشاهده‌شده خود را دارند.
با این حال، ارتباط بین جریان سیال و فیزیک بنیادی راه دیگری را برای کشف یکی از بزرگترین سؤالات بی پاسخ علم باز می کند.
چیزی معمولی مانند حرکت آب در شیشه یا خونی که در بدن در گردش است، ممکن است سرنخ هایی در مورد اینکه چرا کیهان دارای ویژگی های فیزیکی است که حیات را ممکن می کند، داشته باشد.
