Studie bringt fundamentale Physikkonstanten mit der Lebensfähigkeit in Verbindung

Der Physiker Kostya Trachenko von der Queen Mary University of London hat eine theoretische Analyse veröffentlicht, die nahelegt, dass die fundamentalen physikalischen Konstanten des Universums durch die Anforderungen an das Leben eingeschränkt sind. Die in Science Advances veröffentlichte Studie weist darauf hin, dass diese Konstanten es Flüssigkeiten ermöglichen müssen, auf eine Weise zu fließen, die biologische Prozesse innerhalb und zwischen Zellen unterstützt. Der Forschung zufolge könnten selbst relativ geringfügige Änderungen dieser Konstanten die Viskosität von Flüssigkeiten so stark verändern, dass essenzielle Funktionen wie der Nährstofftransport und der Abtransport von Abfallstoffen verhindert würden.

Die Verbindung zwischen Physik und Viskosität

Fundamentale physikalische Konstanten, wie die Masse und elektrische Ladung eines Elektrons sowie die Planck-Konstante, steuern das Verhalten von Atomen, chemischen Bindungen und Kernreaktionen. Während diese Werte im Allgemeinen als universell und unveränderlich gelten, bleiben ihre spezifischen Ursprünge unbekannt. Trachenkos Arbeit baut auf einer Erkenntnis seiner Kollegen aus 2020 auf, wonach diese Konstanten eine Untergrenze für die Viskosität von Flüssigkeiten festlegen. Die Viskosität misst den Fließwiderstand einer Flüssigkeit; Wasser hat eine niedrige Viskosität, während Honig und Teer eine hohe Viskosität aufweisen.

Die neue Analyse überträgt dieses Konzept auf die Biologie. Jede lebende Zelle ist auf die Bewegung von Molekülen in einer flüssigen Umgebung angewiesen. Die Diffusion, die natürliche Ausbreitung von Teilchen in einer Flüssigkeit, ist entscheidend für die für das Leben erforderlichen chemischen Interaktionen. Wäre die Viskosität dieser Flüssigkeiten zu hoch, könnten sich lebenswichtige Materialien nicht effizient bewegen. Wäre sie zu niedrig, könnte der für biologische Funktionen notwendige kontrollierte Fluss gestört werden.

Trachenko erklärte die Verbindung in der Studie: "Es stellt sich heraus, dass das Verständnis darüber, wie Wasser in einem Becher fließt, eng mit der großen Herausforderung verknüpft ist, die fundamentalen Konstanten zu bestimmen. Lebensprozesse in und zwischen lebenden Zellen erfordern Bewegung, und es ist die Viskosität, die die Eigenschaften dieser Bewegung festlegt. Wenn sich fundamentale Konstanten ändern, würde sich auch die Viskosität ändern, was das Leben, wie wir es kennen, beeinflussen würde. Wenn Wasser beispielsweise so viskos wie Teer wäre, würde Leben in seiner jetzigen Form nicht existieren oder gar nicht existieren. Dies gilt über Wasser hinaus, sodass alle Lebensformen, die den flüssigen Zustand zur Funktion nutzen, betroffen wären."

Enges Fenster für das Leben

Die Forschung legt nahe, dass der Bereich der fundamentalen Konstanten, die mit zellularem Leben kompatibel sind, eng gefasst ist. Trachenko merkte an, dass Änderungen an Konstanten wie der Planck-Konstante oder der Elektronenladung signifikante biologische Folgen haben könnten. "Jede Änderung der fundamentalen Konstanten, einschließlich einer Erhöhung oder Verringerung, wäre gleichermaßen schlechte Nachrichten für den Fluss und für flüssigkeitsbasiertes Leben. Wir erwarten, dass das Fenster recht eng ist: Beispielsweise würde die Viskosität unseres Blutes bei einer Änderung einiger fundamentaler Konstanten wie der Planck-Konstante oder der Elektronenladung um nur wenige Prozent zu dick oder zu dünn für die Körperfunktion werden", sagte er.

Diese Vorhersagen leiten sich aus theoretischen Modellen ab und nicht aus Experimenten, bei denen Konstanten verändert wurden. Folglich bleiben die präzisen Grenzen, die verschiedene Lebensformen tolerieren könnten, ungewiss. Die Ergebnisse implizieren, dass die Bedingungen für Leben mehr erfordern als nur die Fähigkeit, Sterne und komplexe Chemie zu bilden; die physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten stellen zusätzliche Anforderungen an die Konstanten des Universums.

Auswirkungen auf Blut und komplexe Flüssigkeiten

Eine Folgestudie, die im Januar 2025 in The European Physical Journal E veröffentlicht wurde, untersuchte, wie diese Konstanten komplexe biologische Flüssigkeiten, insbesondere Blut, beeinflussen. Im Gegensatz zu Wasser ist Blut eine Mischung aus Plasma, roten Blutkörperchen und Blutplättchen. Seine Viskosität hängt von molekularen Eigenschaften und den Wechselwirkungen zwischen diesen Komponenten ab, wie etwa der Bildung von Clustern roter Blutkörperchen, die den Fließwiderstand erhöhen.

Die Forscher fanden heraus, dass die Viskosität des Blutes trotz seiner Komplexität überraschend nahe an einem theoretischen Wert liegt, der aus grundlegenden physikalischen Konstanten abgeleitet wurde. Sie schlugen vor, dass Wechselwirkungen zwischen eng beieinander liegenden Blutzellen Distanzen beinhalten, die klein genug sind, damit molekulare und Quanteneffekte eine Rolle spielen. Dies deutet darauf hin, dass bei der Abschätzung, welche Konstanten mit dem Leben kompatibel sind, sowohl intrinsische Flüssigkeitseigenschaften als auch Effekte berücksichtigt werden müssen, die durch Wechselwirkungen zwischen Zellen und Molekülen entstehen.

Warum es wichtig ist

Die Studie hebt eine potenzielle Einschränkung der physikalischen Gesetze des Universums hervor, die über die Produktion schwerer Elemente in Sternen hinausgeht. Während Sterne Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff schaffen können, die für das Leben notwendig sind, zeigt Trachenkos Analyse, dass ein Universum diese Zutaten produzieren könnte, während die Flüssigkeiten zu viskos wären, als dass zelluläre Prozesse funktionieren könnten. Dies wirft Fragen auf, warum die fundamentalen Naturgesetze Werte haben, die anscheinend gut auf die Existenz von Leben abgestimmt sind. Trachenko deutete an, dass mehrere Formen der Feinabstimmung involviert sein könnten, wobei die Werte, die die Produktion schwerer Elemente ermöglichen, und jene, die flüssigkeitsbasiertes Leben zulassen, separate Anforderungen darstellen. Vorerst bleibt dies ein theoretischer Rahmen zur Untersuchung der Verbindung zwischen den grundlegenden physikalischen Eigenschaften des Universums und biologischen Prozessen.

Quellen (auf Englisch)

• sciencedaily.com: Scientists make stunning discovery that could help explain why life exists | ScienceDaily
• news.ssbcrack.com: Fundamental Constants of Physics May Determine the Possibility of Life in the Universe - SSBCrack News

KI-Übersetzung des englischen Originalartikels, automatisch geprüft, damit sie dasselbe aussagt wie das Original. Die Quellen wurden auf Englisch geprüft.