Onderzoekers van de Queen Mary University of London hebben een opvallend idee geopperd dat de diepste wetten van de natuurkunde verbindt met het bestaan van leven zelf. Hun werk suggereert dat de fundamentele constanten van het heelal binnen een uiterst smalle bandbreedte vallen die vloeistoffen in staat stelt te stromen op manieren waarvan levende cellen afhankelijk zijn. Als die constanten ook maar iets anders waren, zouden water, bloed en andere levensondersteunende vloeistoffen zich zo anders kunnen gedragen dat complexe organismen misschien nooit waren ontstaan.
De studie, gepubliceerd in Science Advances in 2023, bouwt voort op eerder werk van natuurkundige Kostya Trachenko en collega's waaruit bleek dat de viscositeit van vloeistoffen direct is gekoppeld aan fundamentele fysische constanten. Die bevinding stelde een ondergrens vast voor hoe 'vloeibaar' vloeistoffen kunnen zijn. Het nieuwere onderzoek breidde het idee uit naar de biologie, door te vragen of dezelfde natuurkundige regels die de kosmos vormgeven ook stilletjes bepalen of cellen kunnen functioneren.
Leven is afhankelijk van beweging op microscopische schaal. Voedingsstoffen moeten door cellen reizen, eiwitten moeten correct vouwen, en moleculen diffunderen constant door waterige omgevingen. Dit alles is afhankelijk van viscositeit, de eigenschap die bepaalt hoe gemakkelijk een vloeistof stroomt.
Volgens de onderzoekers lijkt het heelal te opereren binnen een verrassend smal 'bio-vriendelijk' venster waarin viscositeit en diffusie geschikt blijven voor leven. Als de constanten die de natuurkunde beheersen met slechts een paar procent zouden verschuiven, zouden vloeistoffen die essentieel zijn voor de biologie dramatisch dikker of dunner kunnen worden.
'Begrijpen hoe water in een kopje stroomt, blijkt nauw verwant te zijn aan de grote uitdaging om fundamentele constanten te doorgronden', zei professor in de natuurkunde Kostya Trachenko. 'Levensprocessen in en tussen levende cellen vereisen beweging en het is viscositeit die de eigenschappen van deze beweging bepaalt. Als fundamentele constanten veranderen, zou viscositeit ook veranderen, met gevolgen voor het leven zoals wij dat kennen. Als water bijvoorbeeld zo stroperig was als teer, zou leven in zijn huidige vorm niet bestaan of helemaal niet bestaan. Dit geldt niet alleen voor water, dus alle levensvormen die de vloeibare toestand gebruiken om te functioneren, zouden worden getroffen.'
Het team zegt dat de gevolgen veel verder zouden reiken dan drinkwater of oceanen. Menselijk bloed, celvloeistoffen en de chemie die leven aandrijft, zijn allemaal afhankelijk van zorgvuldig uitgebalanceerde stroomeigenschappen.
'Elke verandering in fundamentele constanten, of het nu een toename of afname is, zou even slecht nieuws zijn voor stroming en voor vloeibaar leven', voegde Trachenko eraan toe. 'We verwachten dat het venster vrij smal is: de viscositeit van ons bloed zou bijvoorbeeld te dik of te dun worden voor het functioneren van het lichaam bij slechts een paar procent verandering van sommige fundamentele constanten zoals de constante van Planck of de elektronlading.'
Natuurkundigen debatteren al lang waarom de constanten van het heelal fijn lijken te zijn afgesteld. Kleine verschillen in waarden zoals de elektronlading of de sterkte van fundamentele krachten zouden kunnen voorkomen dat sterren zware elementen vormen die nodig zijn voor planeten en leven.
Wat dit onderzoek ongebruikelijk maakt, is dat het de discussie verplaatst van sterren en sterrenstelsels naar het niveau van levende cellen. Eerdere argumenten over fijnafstemming richtten zich vaak op kernreacties in sterren. Dit werk stelt dat zelfs als sterren en zware elementen nog steeds zouden ontstaan, leven misschien onmogelijk zou blijven als vloeistoffen niet goed in organismen zouden kunnen stromen.
Dat introduceert een tweede laag van fijnafstemming. De constanten lijken niet alleen compatibel met een heelal vol materie, maar ook met biologische systemen die afhankelijk zijn van delicate vloeistofdynamica.
De onderzoekers suggereren zelfs dat er meerdere stadia van afstemming kunnen hebben plaatsgevonden. In het artikel vergelijkt Trachenko de mogelijkheid met biologische evolutie, waarbij eigenschappen onafhankelijk in de loop van de tijd ontstaan. Het idee blijft speculatief, maar het roept de mogelijkheid op dat de natuur stabiele fysieke structuren kan begunstigen op manieren die wetenschappers nog niet volledig begrijpen.
Sinds de oorspronkelijke publicatie zijn wetenschappers blijven onderzoeken hoe viscositeit, diffusie en vloeistofgedrag verbonden zijn met fundamentele natuurkunde.