物理学で「生命」をなんと言いますか?|物理

「言語を想像することは、生命の形を想像することです。」
—ルートヴィヒ・ウィトゲンシュタイン、哲学的調査 (1953)

ジェレミー・イングランドは言葉、つまり言葉が何を意味するのか、言葉に含まれる宇宙について関心を持っています。彼は「意識」や「情報」などを避けます。負荷がかかりすぎる、と彼は言います。危険すぎる。彼が言うべき正しいことを探しているとき、彼の声は少し途切れ、1 オクターブか 2 オクターブにわたって散らばり、滑らかな響きを再開します。

彼の注意は理解できる。マサチューセッツ工科大学の 34 歳の物理学助教授は、「散逸的適応」と呼ばれる新しい理論の設計者であり、複雑で生命に似た機能がどのように自己組織化し、より単純なものから出現するかを説明するのに役立っています。、無生物を含む。この命題により、イングランドはやや歓迎されないあだ名、次のチャールズダーウィンを獲得しました。しかし、イングランドの物語は、生物学と同じくらい言語に関するものです。

現在、約 6,800 の独自の言語が使用されています。すべての単語が完全に翻訳されるわけではなく、意味が見落とされることもあります。たとえば、日本語の わびさび の英訳はありません。 —不完全さの中に美しさを見つけるという考え—またはドイツの waldeinsamkeit の場合、森の中で一人でいるような感覚。

科学のさまざまな分野もそれ自体が言語であり、科学的な説明は単なる翻訳に過ぎないこともあります。たとえば、「赤」は、「波長 620 ～ 750 ナノメートル」というフレーズの翻訳です。「温度」は、「粒子のグループの平均速度」の翻訳です。翻訳が複雑になればなるほど、より多くの意味が伝わります。「重力」は「時空の幾何学」を意味します。

人生はどうですか？私たちは、人生を見れば分かると思います。ダーウィンの理論は、生命のある形態がどのように別の形態に進化するかについても説明しています。しかし、どちらも同じ物理法則に従う場合、コマドリと岩の違いは何ですか?つまり、物理学で「生命」をなんと言いますか？この言葉は翻訳できないと主張する人もいます。しかし、単に適切な翻訳者が必要だったのかもしれません.

他の 12 歳の男の子がマーベルコミックを読んでいる間、イングランドは The Cartoon Guide to Genetics を読んでいました。 .表紙は、等身大の水中 DNA 鎖に遭遇するスキューバダイバーを描いています。中には、リボソームから植物性まで、生物学の基礎のツアーがあります。イングランドはすぐに興味をそそられました.

「分子によって機能がどのように達成されるかを見るのは、本当に素晴らしいことだと思いました」と彼は言います。イングランドは熱狂的に話し、手で話し、頭の上にキッパーをかぶっています.

DNA ポリメラーゼを考えてみましょう、と彼は言います。生物学的に言えば、その仕事は、化学塩基、糖、およびリン酸で構成されるヌクレオチドを組み立てることによって、新しい DNA 分子を作成することです。「そのストーリーが目の前に展開されているのを見ると、すべてが理にかなっています。それは、目標を達成するために機能しているように見えます」とイングランドは言います。「それでも、これらのものは無生物とほとんど区別できません。それらを少し小さな破片に分割すると、回転して振動するだけです。」

イングランドはハーバード大学の学部生と同じようなものを見て、生物物理学者のユージーン・シャクノビッチと共にタンパク質の折り畳みを研究した.タンパク質データバンクには、プロパティごとに色分けされた「美しく描写されたリボンとシート」の詳細が記載されたファイルが保持されていました。解きほぐすと、各タンパク質は同じ 20 個のアミノ酸で構成されています。しかし、どういうわけか、それらが形に折り畳まれると、それぞれが生命に必要な特定の重要なプロセスを実行します. 「アミノ酸はあなたにソネットを書くつもりはありません」とイングランドは言います. 「しかし、数百台をつなぎ合わせると、突然、特定の目的のために作られたように見えるこのマシンができあがります。」

どういうわけか、ブラインドギアの攪拌から、目的のようなものが浮かび上がります。個々の部品は、物理学の基本法則以外には何も従わず、集合的に機能を獲得します。関数は物理学の世界にはないように見えます:時間と空間は明確な理由で存在しませんが、ただ存在します.生物学では、システムは機能するように微調整されています。動かし、触媒し、構築する。「機能」という言葉は、生命と非生命の間の空中ブランコです。それは単に生きているように見えるものに私たちが与える言葉ですか、それとももっと本質的なものですか?イギリスが 2014 年にスウェーデンのカロリンスカ研究所で聴衆に語ったように、物理学は生命と非生命を区別しません。しかし、生物学はそうです。

博士号を取得した後、彼がプリンストン大学の研究員だったとき、イングランドは時々ニューヨーク市まで車で行き、子供の頃からの最も古い友人であり、哲学を専攻していました。彼の友人はイギリスをローワーイーストサイドのお気に入りのたまり場に連れて行き、オーストリア系イギリス人の哲学者ルートヴィヒウィトゲンシュタインについて長い会話を交わしました。

ウィトゲンシュタインは生涯の一部をノルウェーの森で孤独に過ごしました — waldeinsamkeit —そして、いわゆる「言語ゲーム」、またはコミュニケーションに関する一連の共有慣習について書いています。一部の哲学者は、言葉の意味は世界にある物理的対象に内在すると主張していました。しかし、ウィトゲンシュタインは、単語の意味はその文脈、つまりそれを使用する人々によって決定される文脈に依存すると主張しました。言語ゲームをプレイすることは、暗号で話すようなものです。2 人が両方の当事者がよく理解している活動に参加している場合、より少ない簡単な言葉を使用して自分の意見を聞くことができます。ミュージシャン、政治家、科学者など、さまざまなグループの人々が、それぞれのニーズに合った言語ゲームを採用しています。新しい言語ゲームが次々と生まれています。意味は形を変える。言葉は適応します。

「そのような点を指摘することで、彼は、ヘブライ語聖書の冒頭の箇所などで私が見つけたのと同じ種類の考えを伝えています」とイングランドは言います。

「初めに、神は天と地を創造した…」ここで、「創造する」を表すヘブライ語は bara です、「天国」の言葉はshamayimです、そして「地球」の単語はaretzです;しかし、それらの真の意味は、次の節の文脈を通してのみ明らかになると、イングランドは言います。たとえば、bara が明らかになります。、作成は、物に名前を付けるプロセスを伴います。世界の創造は言語ゲームの創造です。「神は『光あれ』と言われ、光があった。」神はその名前を話すことによって光を創造しました。「私たちはこのフレーズを何度も聞いてきたので、熟考するのに十分な年齢になるまでに、最も単純なポイントを簡単に見逃してしまいます」とイングランドは言います. 「私たちが世界を見る光は、私たちがそれについて話す方法から来ています。」生物学を説明するために物理学の言葉を使おうとしているなら、それは重要かもしれない、とイングランドは考えた.

彼はそれをすることを余儀なくされました。 MIT の若い教職員として、彼は生物学をやめたくないし、理論物理学について考えるのもやめたくありませんでした。「話し方が異なる 2 つのものを手放すことを拒否すると、翻訳の方向に強制されます」と彼は言います。

ユダヤ教の伝統では、「奇跡」は必ずしも自然の法則に逆らうものではありません。むしろ、奇跡は以前は想像もつかないと考えられていた現象です。その奇跡の目撃者は、彼らの仮定を再構成し、矛盾を解決するよう求められます.要するに、彼らは自分たちの世界を新しい観点から考え始めなければなりません.

統計力学に精通した物理学者にとって、生命はこの意味で奇跡的に見えます。熱力学の第 2 法則は、閉じた系 (箱の中のガスや宇宙全体のようなもの) では、無秩序が時間の経過とともに増加することを要求します。雪は溶けて水たまりになりますが、水たまりは (それ自体で) 自然に雪片の形にはなりません。水たまりがこれをしているのを見たら、まるで時間が逆行しているかのように、映画を逆に見ていると思うでしょう。第 2 法則は、粒子の大規模なグループの動作に不可逆性を課し、「過去」、「現在」、「未来」などの言葉で遊ぶことを可能にします。

時間の矢印は無秩序の方向を指しています。しかし、命の矢は逆を向いています。シンプルで鈍い種から、複雑に構造化された花が成長し、生命のない地球、森、ジャングルから成長します。私たちが「生命」と呼んでいる原子を支配する規則が、宇宙の残りの原子を支配する規則とはまったく異なるのはどうしてでしょうか?

1944 年、物理学者のアーウィンシュレディンガーは、What is Life? という小さな本でこの問題に取り組みました。彼は、箱の中の気体とは異なり、生物は開放系であることを認識しました。つまり、彼らは自分自身とより大きな環境との間のエネルギーの移動を認めています。生命が内部秩序を維持していても、環境への熱の損失により、宇宙は第 2 法則に従ってエントロピー (または無秩序) の全体的な増加を経験することができます。

同時に、シュレーディンガーは第二の謎を指摘した。時間の矢を生むメカニズムは、生命の矢を生むメカニズムと同じではありえない、と彼は言った。時間の矢は、多数の統計から生じます。十分な数の原子が動き回っている場合、秩序だった配置よりも無秩序な配置の方がはるかに多いため、より秩序だった状態に遭遇する可能性はほとんどありません。しかし、生命に関して言えば、秩序と不可逆性は微視的スケールでさえ支配しなければならず、はるかに少ない原子が働いています.このスケールでは、統計が第 2 法則のような規則性を生み出すのに十分な数の原子が集まりません。たとえば、生命の基本構成要素である RNA と DNA のビルディングブロックであるヌクレオチドは、わずか 30 個の原子でできています。それでもなお、シュレディンガー氏は、遺伝暗号は信じられないほどよく持ちこたえ、時には何百万世代にもわたって「奇跡に近い耐久性または永続性を持っている」と述べています。

では、遺伝子はどのようにして腐敗に抵抗するのでしょうか?そのもろさの重さでどうして崩れないのでしょうか。原子の小さなグループがブートストラップによって不可逆的に引き上げられ、何か「生きている」ものになることを可能にする、統計よりも深い何かが作用しなければなりませんでした.

半世紀後、Gavin Crooks という名前の英国の化学者が初めて微視的な不可逆性を数学的に記述したときに、手がかりが得られました。 1999 年に公開された 1 つの方程式で、Crooks は、外部エネルギー源によって駆動される小さな開放系が、変化に伴ってエネルギーを消散する限り、不可逆的に変化する可能性があることを示しました。

フェンスの前に立っていると想像してください。反対側に行きたいのですが、フェンスが高すぎてジャンプできません。次に、友人がポゴスティックを渡します。これを使用して反対側にジャンプできます。しかし、そこに着いたら、同じポゴスティックを使用してフェンスを再び飛び越え、最初の場所に戻ることができます.外部のエネルギー源 (ポゴスティック) によって変化を起こすことができますが、変化は可逆的です.

では、ポゴスティックの代わりに、友人がジェットパックを渡してくれると想像してみてください。ジェットパックを発射すると、フェンスを越えて発射されます。フェンスを越えると、ジェットパックは燃料を周囲の空気に放出するため、着陸するまでにパックに十分なエネルギーが残っていないため、再びフェンスを越えて戻ることができません。あなたは向こう側で立ち往生しています。変更は元に戻せません。

Crooks は、原子のグループが同様に外部エネルギーのバーストを受け取り、それを使用して自分自身を新しい構成に変換できることを示しました。原子が変換中にエネルギーを消散すると、その変化は元に戻せなくなる可能性があります。彼らは常に次のエネルギーのバーストを使用して元に戻ることができ、多くの場合そうします。しかし、そうでない場合もあります。時々、彼らは次のバーストを使用してさらに別の新しい状態に移行し、エネルギーを再び消費して、段階的に変化します.このように、消散は不可逆性を保証するものではありませんが、不可逆性には消散が必要です。

Crooks の結果は非常に一般的であり、潜在的に生命を含むシステムの平衡状態からのあらゆる変換に適用されます。しかし、イングランドは次のように述べています。これらの結果は正しいように見えましたが、計算のために運用するのは難しいかもしれません。」 2013 年、イギリスがカリフォルニア工科大学で講演を行うためにカリフォルニアに滞在していたとき、彼はホテルの部屋でクルックスの方程式の変数をいじり続けました。クルックスの方程式から明らかなように、生命の特徴である不可逆性を実現するには、システムが熱の吸収と放散に特に優れている必要があります。しかし、彼はそれがすべてではないことを知っていました.

「同じ基点付近をさまようようなものです」と彼は言います。「それを置いて寝て、いろいろなことを考えます。振り返ってみると、壁に穴が空いていることがあります。物事を別の方法で受け取ると、時間が経ちます。」

最後に、何かがクリックされました。特定のエネルギー源が与えられた場合、原子の配置によっては、他の配置よりも吸収と消費に優れています。これらの取り決めは、不可逆的な変化を遂げる可能性が高くなります。時間の経過とともに、一部のシステムが他のシステムよりもこれを行うのに優れている場合はどうなるでしょうか?次に、一連の不可逆的な変換が合成され、ブートストラップによって自身を引き上げる効果になります。イギリスは紙に鉛筆を書き、システムの散逸の歴史を考慮に入れた熱力学の第二法則の一般化を書き、それは生命の構造と機能の出現に光を当てると彼は言います.昨年末の論文で、彼は次のように述べています。

システムの形状の変化はほとんどランダムですが、これらの構成の変化の中で最も耐久性があり、元に戻すことができないのは、システムが仕事の吸収と分散を一時的に改善したときに発生します。時間の経過とともに、これらの消去しにくい変化の「記憶」が優先的に蓄積され、システムはますます散逸が発生した歴史の形に似た形を採用します。この非平衡プロセスの生成物の可能性のある歴史を振り返ると、その構造は、環境条件に「よく適応した」状態に自己組織化されたように見えます。これが散逸的適応の現象です。

もちろん、原子のシステムは何もしようとしているわけではなく、やみくもに、ランダムに、自分自身をシャッフルしているだけです。それでも、ある形から別の形への旅、化学的な物語の星座を通して、それは自己組織化し、私たちには適応したように見えます. 「言語は道の迷路である」とウィトゲンシュタインは言いました。イギリスにとって、翻訳は正しいと感じました。 物理学で「生命」をなんと言いますか? 彼はそれを「散逸的適応」と呼びました。

散逸的適応は、私たちを単なる太陽の冷却塔に還元するかのように聞こえるかもしれません。しかし、理論はそれ以上のことを意味します。ダーウィンの自然選択は、より基本的な言語の方言である、散逸的適応というより一般化された現象の特殊なケースとして作り直すことができます。散逸的適応はミクロスケールで起こるのに対し、自然淘汰は巨視的な自己複製の世界で起こります。そして、自己複製は、エネルギーを消費して放散するための優れた方法です。散逸的適応の言語では、「フィットネス」などの言葉が新しい意味を持ちます。ノースイースタン大学のメニワヌヌ物理学准教授は、「ここでのフィットネスは、一連の最適な機能という観点ではなく、環境から利用可能なエネルギーとの「ギブアンドテイク」の関係として定義されます」と述べています。システムがエネルギーを消費すると、元に戻せない方向にドリフトし、そうすることによって、イングランドが言うように「例外的」になり、完璧でも理想的でもなくなります。「鳥は飛ぶのに世界的に最適というわけではありません」とイングランドは言います。

この理論は、人生を特別なものにする驚くべき機能を再考するよう私たちに挑戦します。弱く相互作用する粒子の集まりからの複雑な機能の出現は、強力な調整なしで、外部ドライブによって駆動される多くの小さな不可逆的な変換に分解できるプロセスになりました.タンパク質や酵素などは、私たちが思っていたよりも簡単に出現する可能性があります。「何年にもわたる自己複製の中でアミノ酸配列を精巧に選択することの問題ではないかもしれません」とイングランドは言います。「物事を自己組織化できる、より速い時間スケールがあるかもしれません。人生の始まりは、正しい方向を指す小さな漸進的な変化がたくさんあるスロープや階段のように見えると自分自身を納得させることができれば、少なくとも、どのようなシナリオを想像する必要があるかについての私たちの概念をリセットすることができます. .」

この理論は、過去を振り返るのに役立つだけでなく、新しい設計とエンジニアリングのアプローチも示唆しています。「生き物がすることを真似したいのなら、思ったほど生き物を真似しなくてもいいかもしれません。」その一例は、英国と彼の研究室のメンバーが現在研究している「創発的計算」と呼ばれるものかもしれません。目標は、粒子のシステムを進化させて、環境の変化を予測する能力を持たせることです。そうする方法についての設計上の指示を受ける必要はありません。結局のところ、変動する環境でエネルギーを吸収して発散させるには、ある程度の予測が必要です。「これが成功すれば、システム内の粒子が、過去の統計に基づいて未来に関する計算を効果的に実行するような方法で何らかの形で相互作用しているという議論になるでしょう」とイングランドは言います。これは、ニューラルネットワークから航空券の購入時期を知らせるボットまで、予測力に基づくテクノロジーに影響を与える可能性があります。

これが翻訳の驚くべき力です。それが機能する場合、散逸的適応が必要であるというプディングの証拠になる可能性があります.今のところ、ワヌヌは判断を留保しています。「イギリスは新しい食材セットを提案しています。プリンがどうなるか、ワクワクするし、見ていて面白いでしょう。」ハーバード大学のシステム生物学の准教授である Jeremy Gunawardena も、このアプローチに完全に納得しているわけではありません。「ジェレミーは、化学について考えるのを避けて、生命の抽象的な本質が物理的な必要性として現れることを望んでいます」と彼は言います. 「私は納得していません。しかし、彼がこの問題に取り組んでいることは素晴らしいことだと思いますし、そこから何か興味深いことを学べると確信しています。」

これは十分に公平です。結局のところ、故ウンベルト・エーコの言葉にあるように、「翻訳は失敗の芸術である」。この真新しい翻訳の失敗とトレードオフは、まだ発見されていません。結局のところ、人生の複雑さを表現する言語は 1 つだけではありません。しかし、イングランドは私たちに新しいものを試してほしいと思っています。 コメンタリーで彼はこう表現した昨年の雑誌:「世界を説明するための実行可能な言語は複数ありますが、神は人間にそれらすべてを話してほしいと望んでいます。」

アリソン・エックはサイエンスライターであり、 のデジタルアソシエイトプロデューサーです。ノヴァオンライン。 彼女はボストンに住んでいます。

参照

1. イングランド、J.L. 駆動型自己組織化における散逸的適応。 ネイチャーナノテクノロジー 10 、919-923 (2015).