Решён
Связана ли теория относительности с биологией?

Денис Суханов Физика
3.7k
5

Читал популярную статью про GPS и релятивистские поправки, и там мимоходом упомянули что теория относительности якобы имеет значение для биологических процессов. Звучит как натяжка, но стало интересно.

Понятно что на бытовом уровне скорости далеки от световых и гравитация обычная. Но может на каком то фундаментальном уровне, на уровне молекулярной биологии или эволюции, есть реальные пересечения? Или это из серии "все в мире связано"?

Интересует именно научная связь, а не философские рассуждения.

Решение
67
Участник • 4 ответа

Краткий ответ: да, но не так, как обычно представляют.

Связь не прямая в духе "клетки делятся по Эйнштейну". Она проявляется в нескольких конкретных областях:

  1. Релятивистская квантовая химия. Тяжелые элементы вроде золота, свинца, ртути имеют электроны на внутренних орбиталях, движущиеся со скоростями порядка десятков процентов от скорости света. Релятивистские эффекты меняют энергию связей, радиусы орбиталей. Это напрямую влияет на химические свойства этих элементов. А раз химия меняется, меняется и биохимия. Например, токсичность свинца и ртути для организма частично объясняется релятивистскими свойствами их электронных оболочек.

  2. Мутагенез от космических лучей. Частицы космического излучения летят с околосветовыми скоростями. Их взаимодействие с ДНК описывается релятивистской физикой. Эти частицы вызывают мутации, которые являются топливом эволюции. Без релятивистских эффектов спектр мутаций был бы другим.

  3. Квантовая биология. Молодая область. Изучает туннелирование протонов в ДНК, квантовую когерентность в фотосинтезе, магниторецепцию у птиц. Для корректного описания этих процессов нужна квантовая теория поля, которая строится на специальной теории относительности.

  4. ОТО и астробиология. Общая теория относительности определяет структуру пространства-времени вблизи массивных объектов. Условия для зарождения жизни на планетах зависят от гравитационных параметров, которые описываются ОТО. Приливные силы, стабильность орбит, радиационные пояса.

Так что связь есть, она реальная и научная. Просто не на том уровне, на котором работает обычная молекулярная биология.

Аватар Денис Суханов

Вот это уровень ответа. Про релятивистскую квантовую химию и токсичность свинца вообще не знал, спасибо!

34
Эксперт • 1 ответ

Ну если совсем формально, то вся химия это следствие электромагнитного взаимодействия, а электромагнетизм Максвелла уже лоренц-инвариантен, т.е. "содержит" в себе специальную теорию относительности. Получается, что биология (которая стоит на химии, которая стоит на физике) неразрывно связана с СТО просто по цепочке редукции наук.

Другой вопрос, что на практике для описания биологических систем релятивистские поправки пренебрежимо малы. Скорости молекул в клетке порядка сотен метров в секунду. Это 10^-6 от скорости света. Поправки будут порядка 10^-12. Ни один биолог в здравом уме не будет их учитывать.

Исключение, как верно заметили выше, тяжелые элементы. Там без релятивистских поправок даже цвет золота не объяснишь.

48
Участник • 5 ответов

Есть еще один прикольный пример, который все забывают.

Солнце. Термоядерный синтез в ядре Солнца описывается E=mc^2. Дефект масс при слиянии ядер водорода в гелий превращается в энергию фотонов по формуле Эйнштейна. Эти фотоны через миллионы лет добираются до поверхности, вылетают, летят 8 минут до Земли и попадают на хлоропласт какого нибудь листочка. Фотосинтез.

Вся жизнь на Земле (кроме хемосинтетиков у гидротермальных источников) питается энергией, которая возникла благодаря E=mc^2. Без теории относительности Солнце не светило бы. Буквально.

Аватар Наталья Мирная

Красивый пример, но Солнце светило бы и без теории относительности)) Теория описывает процесс, а не создает его

Аватар Тимур

Ну ты понял что я имела в виду) без эквивалентности массы и энергии термоядерный синтез невозможен в принципе, не только в теории

5
Участник • 10 ответов

а я где то читал что замедление времени влияет на старение. типа если летишь быстро, стареешь медленнее. значит биология зависит от скорости?

ну это конечно на практике нереально, но теоретически получается что два близнеца могли бы стареть с разной скоростью

12
Участник • 1 ответ

Все в мире связано, если достаточно абстрагироваться. Теория относительности связана с кулинарией, потому что повар состоит из атомов, которые подчиняются законам физики.

А если серьезно, вопрос сформулирован слишком широко. Связана как? На уровне фундаментальных законов? Тогда да, вообще все связано со всем. На уровне практических приложений? Биологи прекрасно обходятся без Эйнштейна, им хватает термодинамики и квантовой механики.

Написать ответ

Премодерация гостей

Вы отвечаете как гость. Ваш ответ будет скрыт до проверки модератором. Чтобы ответ появился сразу и вы получали репутацию — войдите в аккаунт.

Будьте вежливы и соблюдайте правила платформы.