生命はなぜ存在するのか?
人気のある仮説は、原初のスープ、稲妻、そして巨大な幸運のストロークを信じています.しかし、挑発的な新しい理論が正しければ、運はほとんど関係ないかもしれません。代わりに、このアイデアを提案した物理学者によると、生命の起源とその後の進化は自然の基本法則に従っており、「岩が丘を転がり落ちるのと同じくらい驚くべきことではないはずです」。
物理学の観点からすると、生物と無生物の炭素原子の塊との間には 1 つの本質的な違いがあります。前者は、環境からエネルギーを取り込み、そのエネルギーを熱として放散するのにはるかに優れている傾向があります。マサチューセッツ工科大学の 31 歳の助教授である Jeremy England は、この能力を説明する数式を導き出しました。確立された物理学に基づく式は、原子のグループが外部エネルギー源 (太陽や化学燃料など) によって駆動され、熱浴 (海や大気など) に囲まれている場合、多くの場合、徐々に再構築されることを示しています。ますます多くのエネルギーを消散させるためです。これは、特定の条件下で、物質が生命に関連する重要な物理的属性を容赦なく獲得することを意味する可能性があります.
「原子のランダムな塊から始めて、それに十分な時間光を当てると、植物ができてもそれほど驚くべきことではありません」とイングランドは言いました。
イギリスの理論は、ダーウィンの自然淘汰による進化論に取って代わるのではなく、根底にあることを意図しています。この理論は、遺伝子と個体群のレベルでの生命の強力な説明を提供します。 「ダーウィンの考えが間違っていると言っているわけではない」と彼は説明した。 「それどころか、物理学の観点から、ダーウィンの進化をより一般的な現象の特殊なケースと呼ぶかもしれないと言っているだけです。」
彼のアイデアは、最近の論文で詳述され、世界中の大学で行っている講演でさらに詳しく説明されていますが、彼の同僚の間で論争を巻き起こしています.
イギリスは「非常に勇敢で非常に重要な一歩」を踏み出したと、ニューヨーク大学の物理学教授であり、初期段階からイギリスの研究を追跡してきたアレクサンダー・グロスバーグは述べた。 「大きな希望」は、彼が生命の起源と進化を推進する根底にある物理的原理を特定したことである、と Grosberg 氏は述べた.
「ジェレミーは、私が今まで出会った中で最も優秀な若い科学者です」と、会議で彼に会った後、彼の理論について英国と連絡を取り合った国立衛生研究所の化学物理学研究所の生物物理学者であるアッティラ・ザボは言いました。 「アイデアの独創性に感銘を受けました。」
ハーバード大学の化学、化学生物学、生物物理学の教授である Eugene Shakhnovich のような他の人々は、納得していません。 「ジェレミーのアイデアは興味深く、有望な可能性を秘めていますが、現時点では、特に生命現象への適用に関しては、非常に推測にすぎません」とシャクノビッチは言いました。
イングランドの理論的結果は、一般的に有効であると考えられています。証明されていないのは、生命を含む自然界の一連の現象の背後にある駆動力を彼の式が表しているという彼の解釈です。しかし、すでにその解釈を実験室でテストする方法についてのアイデアがあります.
「彼は何か根本的に違うことを試みている」とハーバード大学の物理学教授で、イギリスの研究について学んだ後にそのような実験を考えているマラ・プレンティスは言った. 「整理レンズとして、彼は素晴らしいアイデアを持っていると思います。正しいか間違っているかにかかわらず、調査する価値は大いにあります。」
イギリスのアイデアの中心にあるのは、エントロピー増加の法則または「時間の矢」としても知られる熱力学の第 2 法則です。熱いものは冷やされ、ガスは空気中を拡散し、卵はスクランブルしますが、自発的にスクランブルを解くことはありません。つまり、エネルギーは時間の経過とともに分散または拡散する傾向があります。エントロピーはこの傾向の尺度であり、システム内の粒子間でエネルギーがどのように分散されているか、およびそれらの粒子が空間全体にどの程度拡散しているかを定量化します。それは単純な確率の問題として増加します。エネルギーが集中するよりも分散する方法の方が多くあります。したがって、システム内の粒子が移動して相互作用すると、まったくの偶然によって、エネルギーが分散する構成を採用する傾向があります。最終的に、システムは「熱力学的平衡」と呼ばれる最大エントロピーの状態に到達します。この状態では、エネルギーが均一に分散されます。たとえば、一杯のコーヒーとそれが置かれている部屋は同じ温度になります。カップと部屋が放置されている限り、このプロセスは元に戻せません。部屋の原子に無作為に集中する部屋のエネルギーの多くに対して、オッズが圧倒的に積み重なっているため、コーヒーが自発的に再び熱くなることはありません。
エントロピーは、隔離された、または「閉じた」システムでは時間の経過とともに増加する必要がありますが、「開いた」システムでは、周囲のエントロピーを大幅に増加させることにより、エントロピーを低く保つことができます。つまり、原子間でエネルギーを不均等に分割できます。彼の影響力のある 1944 年のモノグラフ「What Is Life?」では、著名な量子物理学者アーウィン・シュレディンガーは、これが生物がしなければならないことだと主張しました。たとえば、植物は非常にエネルギーの強い太陽光を吸収し、それを使って糖を作り、エネルギーのあまり集中されていない形態の赤外線を放出します。植物が整然とした内部構造を維持することによって腐敗を防いでいるにもかかわらず、宇宙の全体的なエントロピーは光合成中に太陽光が消散するにつれて増加します.
生命は熱力学の第 2 法則に違反していませんが、最近まで、物理学者は熱力学を使用してそもそも生命が発生する理由を説明できませんでした。シュレディンガーの時代、彼らは平衡状態にある閉鎖系の熱力学方程式しか解くことができませんでした。 1960 年代、ベルギーの物理学者 Ilya Prigogine は、外部エネルギー源によって弱く駆動される開放系の挙動の予測を進めました (これにより、1977 年のノーベル化学賞を受賞しました)。しかし、外部環境に接続され、外部エネルギー源によって強く駆動される、平衡からかけ離れたシステムの動作は予測できませんでした.
この状況は 1990 年代後半に変化しました。これは主に、現在メリーランド大学にいる Chris Jarzynski と、現在 Lawrence Berkeley National Laboratory にいる Gavin Crooks の研究によるものです。 Jarzynski と Crooks は、1 杯のコーヒーを冷やすなどの熱力学的プロセスによって生成されるエントロピーが単純な比率に対応することを示しました。つまり、原子がそのプロセスを受ける確率を、逆のプロセスを受ける確率で割ったものです (つまり、 、コーヒーが温まるような方法で自発的に相互作用します）。エントロピーの生成が増加すると、この比率も増加します。システムの動作はますます「不可逆的」になります。シンプルでありながら厳密な公式は、原理的には、どんなに速くても、平衡から遠く離れていても、あらゆる熱力学的プロセスに適用できます。 「平衡からかけ離れた統計力学に対する理解が大幅に向上しました」と Grosberg 氏は述べています。生化学と物理学の両方の訓練を受けたイングランドは、2 年前に MIT で自分の研究室を開始し、統計物理学の新しい知識を生物学に適用することを決定しました。
Jarzynski と Crooks の定式化を使用して、彼は特定の特性を持つ粒子のシステムに適用される熱力学の第 2 法則の一般化を導き出しました。周りのお風呂。このクラスのシステムには、すべての生物が含まれます。その後、イングランドは、そのようなシステムが不可逆性を高めるにつれて、時間の経過とともにどのように進化する傾向があるかを判断しました. 「進化の結果は、そこに到達する過程で環境の外部ドライブからより多くのエネルギーを吸収および消散したものになる可能性が高いことを、式から非常に簡単に示すことができます」と彼は言いました.この発見は直感的に理にかなっています。粒子は、駆動力と共鳴するとき、または駆動力が押している方向に移動するときに、より多くのエネルギーを散逸する傾向があり、任意の瞬間に他のどの方向よりもその方向に移動する可能性が高くなります.
「これは、大気や海など、ある温度の浴に囲まれた原子の塊が、時間の経過とともに、環境内の機械的、電磁気的、または化学的仕事の源とよりよく共鳴するように調整する傾向があることを意味します」とイングランドは説明しました。 .
地球上の生命の進化を促進するプロセスである自己複製 (または生物学的用語での再生) は、システムが時間の経過とともに増加する量のエネルギーを消費するメカニズムの 1 つです。イングランドが言ったように、「もっと消散する素晴らしい方法は、自分自身のコピーをもっと作ることです。」 Journal of Chemical Physics の 9 月の論文で、彼は RNA 分子とバクテリア細胞の自己複製中に発生する可能性のある散逸の理論上の最小量を報告し、これらのシステムが複製時に散逸する実際の量に非常に近いことを示しました。 .彼はまた、多くの科学者がDNAベースの生命の前駆体として機能したと信じている核酸であるRNAが、特に安価な建築材料であることを示しました. RNA が出現すると、その「ダーウィン的買収」はおそらく驚くべきことではなかったと彼は主張します。
原初のスープの化学的性質、ランダムな変異、地理、大惨事、その他数え切れないほどの要因が、地球の多様な動植物の細部に貢献してきました。しかし、イングランドの理論によれば、プロセス全体を動かしている根底にある原理は、物質の散逸主導の適応です。
この原則は無生物にも当てはまります。 「自然界のどのような現象が、この散逸主導の適応組織の大きなテントの下に収まるかについて推測するのは非常に魅力的です」とイングランドは言いました. 「多くの例は私たちの目の前にあるかもしれませんが、探していなかったので気づいていませんでした。」
科学者たちは、生きていないシステムでの自己複製をすでに観察しています。カリフォルニア大学バークレー校の Philip Marcus が主導し、8 月に Physical Review Letters で報告された新しい研究によると、乱流流体の渦は、周囲の流体のせん断からエネルギーを引き出すことによって自発的に複製されます。今週、全米科学アカデミー紀要にオンラインで掲載された論文で、ハーバード大学の応用数学と物理学の教授であるマイケル・ブレナーと彼の共同研究者は、自己複製する微細構造の理論モデルとシミュレーションを提示しています。特別にコーティングされたマイクロスフィアのこれらのクラスターは、近くの球体を結び付けて同一のクラスターを形成することによってエネルギーを散逸させます。 「これは、ジェレミーが言っていることと非常に関連しています」とブレナーは言いました。
自己複製に加えて、より大きな構造組織は、強力に駆動されたシステムがエネルギーを散逸させる能力を高めるもう1つの手段です。たとえば、植物は、構造化されていない炭素原子の山よりも、太陽エネルギーを取り込んでそれ自体を経由する方がはるかに優れています。したがって、イングランドは、特定の条件下で、物質は自発的に自己組織化すると主張しています。この傾向は、生物や多くの無生物構造の内部秩序の説明にもなる可能性があります。 「雪片、砂丘、乱流の渦はすべて、何らかの散逸プロセスによって駆動される多粒子系で出現する、驚くほどパターン化された構造であるという共通点があります」と彼は言いました。凝縮、風、および粘性抵抗は、これらの特定のケースに関連するプロセスです。
コーネル大学の生物物理学者であるカール・フランクは電子メールで、「彼は私に、生物と無生物の区別ははっきりしていないと思わせています。 「数個の生体分子を含む化学回路と同じくらい小さなシステムを考えるとき、私はこの概念に特に感銘を受けました。」
イングランドの大胆なアイデアは、今後数年間で綿密な精査に直面する可能性があります。彼は現在、コンピューター シミュレーションを実行して、粒子のシステムがその構造を適応させてエネルギーの散逸を改善するという彼の理論を検証しています。次のステップは、生体系で実験を行うことです。
ハーバード大学で実験生物物理学研究室を運営しているプレンティスは、イングランドの理論は、異なる変異を持つ細胞を比較し、細胞が消費するエネルギー量と複製速度との間の相関関係を探すことによってテストできると述べています。 「どの変異も多くのことを行う可能性があるため、注意が必要です」と彼女は言いました。 「しかし、さまざまなシステムでこれらの実験の多くを行い続け、[消散と複製の成功] が実際に相関している場合、これが正しい組織原理であることを示唆しています。」
ブレナー氏は、イングランドの理論を彼自身のミクロスフィア構造に結びつけ、その理論がどの自己複製および自己組織化プロセスが起こり得るかを正確に予測するかどうかを判断したいと考えていると述べました。これは「科学における基本的な問題」です.
生命と進化の包括的な原則を持つことで、研究者は生物の構造と機能の出現についてより広い視野を持つことができるだろう、と多くの研究者は述べた。オックスフォード大学の生物物理学者であるアード・ルイスは、電子メールで次のように述べています。これらの特徴には、メチル化と呼ばれる遺伝子発現の遺伝的変化、自然淘汰がない場合の複雑さの増加、およびルイスが最近研究した特定の分子変化が含まれます.
イングランドのアプローチがより多くのテストに耐えることができれば、生物学者はすべての適応についてダーウィンの説明を求めることからさらに解放され、散逸主導の組織の観点からより一般的に考えることができるようになる.たとえば、「生物が Y ではなく X の特徴を示す理由は、X が Y よりも適合しているからではなく、物理的な制約により、Y が進化するよりも X が進化しやすくなっているからです」とルイス氏は指摘します。
「人々は、個々の問題について考えることに行き詰まってしまうことがよくあります」とプレンティスは言いました。イングランドの考えが正確に正しいかどうかにかかわらず、彼女は、「より広く考えることは、多くの科学的ブレークスルーが行われる場所です」と述べました.
エミリー・シンガー は報告に貢献しました。この記事は、ScientificAmerican.com と BusinessInsider.com に転載されました。
訂正:この記事は 2014 年 1 月 22 日に改訂され、Ilya Prigogine が物理学ではなく化学でノーベル賞を受賞したことが反映されました。
