生物物理学者のジェレミー イングランドは、2013 年に生命の起源を熱力学の必然的な結果とする新しい理論で話題を呼んだ。彼の方程式は、特定の条件下では、原子のグループが自然に再構築されてより多くのエネルギーを消費し、エネルギーの絶え間ない分散と宇宙の「エントロピー」または無秩序の上昇を促進することを示唆していました。イングランドは、彼が消散主導の適応と呼んでいるこの再構築効果は、生物を含む複雑な構造の成長を促進すると述べた.生命の存在はミステリーでもラッキーブレイクでもない、と彼はQuantaに語った 2014 年に発生しましたが、むしろ一般的な物理原則に従い、「岩が坂を転がり落ちるのと同じくらい驚くべきことではありません」。
それ以来、マサチューセッツ工科大学の 35 歳の准教授であるイングランドは、コンピューター シミュレーションで彼のアイデアの側面をテストしてきました。これらの研究の中で最も重要な 2 つが今月発表されました。全米科学アカデミー議事録のより顕著な結果です。 (PNAS ) および Physical Review Letters のその他 (PRL ）。両方のコンピューター実験の結果は、散逸主導の適応に関するイギリスの一般的なテーゼを支持しているように見えますが、実生活への影響は依然として推測の域を出ていません。
「これは明らかに先駆的な研究です」と、ドイツのケルン大学の統計物理学者で定量生物学者である Michael Lässig 氏は、PNAS について語っています。 イギリスと MIT のポスドク研究員、ジョーダン ホロウィッツによって書かれた論文。これは「比較的小規模なシステムでの特定のルール セットに関するケース スタディであるため、一般化するかどうかを判断するのは少し時期尚早かもしれません」と Lässig 氏は述べています。 「しかし、明らかな関心は、これが人生にとって何を意味するかを問うことです。」
この論文は、細胞と生物学の核心的な詳細を取り除き、例外的な構造が自然に発生する可能性があるにもかかわらず、化学物質のより単純なシミュレートされたシステムを説明しています。これは、英国が生命の起源の背後にある原動力と見なしている現象です。 「それは、あなたがその構造を取得することが保証されているという意味ではありません」とイングランドは説明した.システムのダイナミクスは複雑すぎて非線形であるため、何が起こるかを予測できません。
シミュレーションには、無数の方法で互いに反応する 25 種類の化学物質のスープが含まれていました。太陽光が大気中のオゾンの生成を引き起こし、化学燃料の ATP が細胞内のプロセスを駆動するのと同じように、スープの環境内のエネルギー源は、これらの化学反応の一部を促進または「強制」します。ランダムな初期化学物質濃度、反応速度、および「フォーシング ランドスケープ」 (どの反応が外部の力からどれだけ後押しされるかを決定するルール) から始まり、シミュレートされた化学反応ネットワークは、最終的な定常状態、または「固定点」に到達するまで進化します。 .」
多くの場合、システムは平衡状態に落ち着きます。そこでは、バランスのとれた濃度の化学物質と反応があり、逆の場合も逆の場合もあります。一杯のコーヒーが室温まで冷やされるように、この平衡化する傾向は、エネルギーが絶えず広がり、宇宙のエントロピーが常に増加するという熱力学の第 2 法則の最もよく知られた結果です。 (エネルギーが集中するよりも粒子間で分散する方法の方が多いため、2 番目の法則は正しいです。したがって、粒子が移動して相互作用すると、エネルギーがますます共有されるようになる可能性が高くなります。)
しかし、いくつかの初期設定では、シミュレーションの化学反応ネットワークは大きく異なる方向に進みます。これらの場合、平衡から遠く離れた固定点に発展し、そこで環境から可能な限り最大のエネルギーを収集することにより、反応を精力的に循環させます。これらのケースは、システムとその環境の間の「明らかな微調整の例として認識される可能性がある」とホロウィッツとイングランドは書いており、システムは「極端な熱力学的強制力のまれな状態」を見つけます.
生物はまた、極端な強制力の定常状態を維持します。私たちは、細胞内の反応に電力を供給する際に、膨大な量の化学エネルギーを燃焼させて分解し、宇宙のエントロピーを増加させる超消費者です。シミュレーションは、この定常状態の挙動をより単純でより抽象的な化学システムでエミュレートし、「基本的にすぐに、膨大な待ち時間なしで」発生する可能性があることを示しています。 P>
多くの生物物理学者は、英国が示唆しているようなものは、少なくとも生命の歴史の一部である可能性があると考えています.しかし、英国が生命の起源における最も重要な段階を特定したかどうかは、ある程度、生命の本質とは何かという問いにかかっています。意見は異なります。
形状と機能
ハーバード大学、オックスフォード大学、スタンフォード大学、プリンストン大学を経て、29 歳でマサチューセッツ工科大学 (MIT) の学部に着任した多くの著名人の天才であるイングランドは、生物の本質を構成原子の例外的な配置と見なしています。 「バクテリアの原子を無作為に再配置することを想像すると、それらを取り、それらすべてにラベルを付け、それらを空間的に並べ替えるだけです。おそらく何かゴミが得られるでしょう」と彼は今月初めに語った。 「[原子ビルディング ブロックの] 配置のほとんどは、細菌のような代謝の原動力にはなりません。」
原子のグループが化学エネルギーを解放して燃焼させることは容易ではありません。この機能を実行するには、原子を非常に特殊な形に配置する必要があります。イングランドによれば、形と機能の関係が存在するということは、「システムの構造が一致していると見なす環境によって提示される課題があることを意味します。」
しかし、原子はどのように、またなぜ、化学エネルギーを消費するための最適な構成を備えた細菌の特定の形態と機能を獲得するのでしょうか?イングランドは、それが平衡からかけ離れた系における熱力学の自然な結果であるという仮説を立てています.
ノーベル賞を受賞した物理化学者 Ilya Prigogine は 1960 年代に同様のアイデアを追求しましたが、彼の方法は限られていました。従来の熱力学方程式は、ゆっくりと加熱または冷却される気体のような平衡に近い系を研究する場合にのみうまく機能します。強力な外部エネルギー源によって駆動されるシステムは、はるかに複雑なダイナミクスを持ち、研究がはるかに困難です。
1990 年代後半に状況が変わり、物理学者の Gavin Crooks と Chris Jarzynski が「変動定理」を導き出し、特定の物理的プロセスが逆プロセスよりもどれだけ頻繁に発生するかを定量化するために使用できました。これらの定理により、研究者はシステムがどのように進化するかを研究することができます。アリゾナ州立大学の理論物理学者で生命の起源の専門家であるサラ・ウォーカーは、英国の「斬新な角度」は、ゆらぎ定理を「生命の起源に関連する問題に適用すること」であると述べた。あらゆる種類の厳密な方法でそれを行っているのは、おそらく彼だけだと思います。」
コーヒーは何も加熱されていないため冷やされますが、イングランドの計算では、外部エネルギー源によって駆動される原子のグループが異なる動作をする可能性があることが示唆されました。熱として放散します。彼はさらに、エネルギーを散逸させるこの統計的傾向が自己複製を促進する可能性があることを示しました。 (彼が 2014 年に説明したように、「より多くの消散を行うには、自分自身のコピーを多く作成することです。」複製。
しかし、ゆらぎの定理を手にしたとしても、初期の地球や細胞内の状態は非常に複雑すぎて、第一原理から予測することはできません。そのため、現実の味を捉えることを目的とした、単純化されたコンピューターでシミュレートされた環境でアイデアをテストする必要があります。
PRL で 論文、イングランドと彼の共著者であるMITのタル・カックマンとジェレミー・オーウェンは、相互作用する粒子のシステムをシミュレートしました。彼らは、駆動周波数とよりよく共鳴するために、結合を形成および切断することにより、システムが時間の経過とともにエネルギー吸収を増加させることを発見しました。 「結果として、これはある意味で、PNAS よりも少し基本的です」 化学反応ネットワークを含む調査結果、イングランドは言った.
重要なのは、後者の研究で、バクテリアの特別な原子配列がエネルギーの代謝を可能にするのと同じように、利用可能なエネルギー源を活用するために特別な構成が必要となる挑戦的な環境を彼とホロウィッツが作成したことです。シミュレートされた環境では、外部エネルギー源が反応ネットワーク内の特定の化学反応を促進 (または「強制」) しました。この強制力の程度は、さまざまな化学種の濃度に依存していました。反応が進行し、濃度が変化すると、強制力の量が急激に変化します。ハーバード大学医学部の数学者でシステム生物学者である Jeremy Gunawardena は、このような起伏の激しい強制環境により、システムが「自由エネルギーを最適に抽出できる反応の組み合わせを見つけること」が困難になったと説明しています。
しかし、研究者がそのような環境で化学反応ネットワークを展開させると、ネットワークは状況に合わせて微調整されるように見えました。無作為化された出発点のセットは、予想されるよりも4倍頻繁に、活発な化学的活動と極端な強制力のまれな状態を達成するために続いた.そして、これらの結果が起こったとき、それらは劇的に起こりました.これらの化学ネットワークは、考えられるすべての結果と比較して、どれだけの強制力を経験したかという点で99パーセンタイルになりました.これらのシステムが反応サイクルを経てかき回され、その過程でエネルギーが散逸したため、イングランドが生命に不可欠であると考える基本的な形態と機能の関係が確立されました.
情報処理業者
専門家は、イングランドと彼の協力者にとって重要な次のステップは、化学反応ネットワークを拡大し、極端な強制力のまれな固定点に動的に進化するかどうかを確認することであると述べました.彼らはまた、化学物質の濃度、反応速度に基づいて、潮溜まりまたは初期の地球の原始スープの火山噴火口の近くに存在した可能性のある条件に基づいて景観を強制することにより、シミュレーションを抽象化しないようにすることもできます（ただし、実際に生命を生み出した条件を再現します）推測です）。ダートマス カレッジの工学、物理学、微生物学の教授である Rahul Sarpeshkar 氏は、「これらの抽象的な構造の具体的な物理的インスタンス化があれば素晴らしいことです」と述べています。彼は、おそらく生物学的に関連する化学物質やグルコースなどのエネルギー源を使用して、シミュレーションが実際の実験で再現されることを望んでいます.
しかし、微調整された不動点が、生命とその推定上の始まりをますます喚起する設定で観察できたとしても、一部の研究者は、ウォーカーが言ったように、英国の包括的な命題は生命を説明するのに「必要だが十分ではない」と見なしています。多くの人が生物学的システムの真の特徴と見なしているもの、つまり情報処理能力を説明しています。単純な走化性 (細菌が栄養分濃度に向かって移動する能力、または毒物から遠ざかる能力) から人間のコミュニケーションまで、生命体は環境に関する情報を取り入れて反応します。
ウォーカーの考えでは、これは、木星の大赤斑など、イギリスの消散主導の適応理論の傘下にある他のシステムと私たちを区別しています。 「これは、少なくとも 300 年間存在していた非常に非平衡な散逸構造であり、現在地球上に存在し、数十億年にわたって進化してきた非平衡散逸構造とはまったく異なります」と彼女は言いました。生命を区別するものを理解するには、「非平衡散逸構造タイプのプロセスを超えた情報の明確な概念が必要です」と彼女は付け加えました。彼女の見解では、情報に応答する能力が鍵となります。「発生した環境から立ち上がり、立ち去ることができる化学反応ネットワークが必要です。」
Gunawardena は、生命体の熱力学的特性と情報処理能力のほかに、自分自身に関する遺伝情報を保存し、子孫に伝えていることを指摘しました。グナワルデナは、生命の起源は「構造の出現だけではなく、ダーウィン的な特定の種類のダイナミクスの出現です。再生する構造の出現です。そして、それらのオブジェクトの特性が生殖率に影響を与える能力。この 2 つの条件が満たされると、基本的にダーウィンの進化が始まる状況になります。生物学者にとっては、それがすべてなのです。」
英国の学部研究を監督したハーバード大学の化学およびケミカルバイオロジーの教授である Eugene Shakhnovich は、彼の元学生の研究と生物学の問題との間の相違点を鋭く強調した。 「彼は私の研究室で科学者としてのキャリアをスタートさせました。私は彼がどれほど有能であるかを本当に知っています」と Shakhnovich 氏は述べていますが、「ジェレミーの研究は、単純な抽象系の非平衡統計力学における潜在的に興味深い演習を表しています。」それが生物学や生命の起源に関係しているという主張は、「純粋で恥知らずな推測」であると彼は付け加えた.
イギリスが物理学について正しい方向に進んでいるとしても、生物学者は、最初の生きた細胞に進化した原始的な「プロトセル」が何であったか、遺伝暗号がどのように発生したかについての理論など、より詳細な情報を求めています。イングランドは、彼の調査結果がそのようなトピックについて沈黙していることに完全に同意します. 「短期的には、これが生物学的システムで何が起こっているかについて多くのことを教えてくれると言っているわけではありません。また、これが、私たちが知っている生命がどこから来たのかを必ずしも教えてくれると主張しているわけでもありません」と彼は言いました.両方の質問は、「断片的な証拠」に基づいた「非常に混乱した」ものであり、「私は今のところ避ける傾向がある」と述べた.彼はむしろ、最初の生命体または原始生命体のツール キットについて、「無料で入手できるツール キットが他にもあり、ダーウィンのメカニズムを使用して最適化できる可能性がある」と示唆しています。
サルペシュカールは、生命の起源の物語の最初の行為として、散逸主導の適応を見ているようだった. 「ジェレミーが示しているのは、環境からエネルギーを収集できる限り、自然に秩序が生まれ、自己調整するということです」と彼は言いました。生物はイギリスやホロウィッツの化学反応ネットワークよりもはるかに多くのことを行ってきたと彼は指摘した. 「しかし、これは生命が最初にどのように発生したかについてです。おそらく、無からどのようにして秩序を得ることができるでしょうか。」
