ロンドン・クイーンメアリー大学の研究者たちは、物理学の最も深遠な法則と生命そのものの存在を結びつける、驚くべきアイデアを提案した。彼らの研究によれば、宇宙の基本定数は、生命細胞が依存する液体の流れを可能にする極めて狭い範囲に収まっている。もしそれらの定数がほんの少しでも異なっていれば、水や血液、その他の生命維持に必要な液体はまったく異なる振る舞いをし、複雑な生物は決して出現しなかったかもしれない。
2023年に『Science Advances』に掲載されたこの研究は、物理学者コスチャ・トラチェンコとその同僚による先行研究を基にしている。先行研究では、液体の粘度が基本物理定数に直接結びついていることが示され、液体がどれだけ「サラサラ」でいられるかの下限が確立された。新しい研究はこのアイデアを生物学に拡張し、宇宙を形作る同じ物理法則が、細胞が機能するかどうかを静かに決定しているかもしれないと問いかけた。
生命は微視的なスケールでの運動に依存している。栄養素は細胞内を移動し、タンパク質は正しく折りたたまれ、分子は水環境中を絶えず拡散する。これらすべては、液体の流れやすさを決める性質である粘度に依存している。
研究者によれば、宇宙は驚くほど狭い「生物に優しい」窓の中で動作しており、その中で粘度と拡散は生命に適した状態に保たれている。物理学を支配する定数が数パーセントでも変化すれば、生物学に不可欠な液体は劇的に濃くなったり薄くなったりする可能性がある。
「コップの中の水の流れ方を理解することは、基本定数を解明するという壮大な課題と密接に関連していることがわかります」と物理学教授のコスチャ・トラチェンコは述べた。「生きた細胞内および細胞間の生命プロセスは運動を必要とし、その運動の特性を決めるのが粘度です。基本定数が変われば粘度も変わり、私たちが知る生命に影響を及ぼします。例えば、水がタールのように粘性だったら、生命は現在の形では存在しないか、まったく存在しないでしょう。これは水に限らず、液体状態を利用して機能するすべての生命体に当てはまります。」
研究チームは、その影響は飲料水や海をはるかに超えると言う。人間の血液、細胞液、生命を動かす化学反応はすべて、注意深くバランスの取れた流動特性に依存している。
「基本定数の変化は、増加であれ減少であれ、流動と液体ベースの生命にとって同様に悪いニュースです」とトラチェンコは付け加えた。「窓は非常に狭いと予想されます。例えば、プランク定数や電子電荷などの基本定数が数パーセント変化するだけで、血液の粘度は体の機能にとって濃すぎたり薄すぎたりするでしょう。」
物理学者たちは長い間、なぜ宇宙の定数が微調整されているように見えるのかを議論してきた。電子電荷や基本力の強さなどの値がわずかに異なるだけで、恒星が惑星や生命に必要な重元素を形成できなくなる可能性がある。
この研究が異例なのは、議論を恒星や銀河から生きた細胞のレベルに引き下げた点にある。これまでの微調整論は、しばしば恒星内部の核反応に焦点を当てていた。この研究は、たとえ恒星や重元素が形成されても、液体が生物体内で適切に流れなければ生命は不可能かもしれないと主張する。
これにより、微調整の第二の層が導入される。定数は物質で満ちた宇宙と互換性があるだけでなく、繊細な液体力学に依存する生物学的システムとも互換性があるように見える。
研究者たちは、複数の段階の調整が起こった可能性さえ示唆している。論文の中でトラチェンコは、その可能性を生物進化と比較している。そこでは形質が時間をかけて独立して出現する。このアイデアは推測の域を出ないが、科学者がまだ完全に理解していない方法で、自然が安定した物理構造を好む可能性を提起している。
当初の発表以来、科学者たちは粘度、拡散、流体挙動が基本物理学とどのように結びつくかを探求し続けている。