次の概念には、明らかに合理的なものがあります。すべての生命が、私たちが知っている正確な方程式に従う原子から作られている場合 (これは正しいようです)、生命の存在は、これらの法則の下流の結果である可能性があります。まだ計算に慣れています。これは本質的に物理学者の考え方であり、その功績により、生物の仕組みを理解するのにすでに多くのことを行ってきました.
20 世紀半ばに物理学から生物学に移行したマックス デルブリュックのような先駆者のおかげで、物理科学からの定量分析の影響により、細胞生物学と生化学における機械論的、分子的アプローチが生まれ、多くの革新的な研究が行われました。発見。 X 線結晶構造解析、核磁気共鳴、超解像顕微鏡法などの画像技術により、生命を分子スケールで動かしている単一細胞より小さい DNA、タンパク質、その他の構造の鮮明な画像が得られました。
さらに、遺伝暗号を解読することで、生きた細胞の機械を利用して、独自に考案した新しい高分子を組み立てることで、入札を行うことができるようになりました。生命の最も小さくて最も単純な構成要素がどのように組み合わされて全体を形成するかについて、これまで以上に正確な図が得られるにつれて、生物学の最も困難なパズルは、物理学でそれらに取り組む方法を見つけた場合にのみ解決される可能性があると想像することがますます魅力的になっています.
しかし、このような態度で人生の問題に取り組むことは、少なくとも 2 つの理由から失敗に終わります。還元主義の誤謬と呼ぶかもしれない最初の理由。還元主義とは、私たちが研究対象として選択する宇宙のどの部分も、古代のぜんまい仕掛けの時計仕掛けの標本のように機能するという仮定です。そのため、宇宙を支配する規則を理解すれば、全体の挙動を簡単に (または少なくとも極めて可能に) 予測できます。各パーツが他のパーツと一緒にどのように押し進められるか
いくつかの単純な規則からすべてを説明し、予測するという夢は、長い間、多くの科学者、特に物理学者の想像力をかきたててきました。そして、公平を期すために、関心のある現象をより完全に還元的に説明したいという一部の研究者の渇望によって、多くの優れた科学が推進されてきました。結局のところ、世の中には、さまざまな単純な部品間の既知の相互作用の結果として理解できるものがあります。月の引力による海の潮の満ち引きから、一部の遺伝子疾患が、タンパク質表面の小さなパッチの変化した化学反応に起因する分子事象にまで遡ることができる方法に至るまで、私たちが研究しているものは時々、その部分の包括的な合計。
悲しいかな、すべての科学的パズルが還元主義によって克服されるという希望は、20 世紀が始まる前は物理学者の間でより一般的でした。それ以来、物理学の複数のノーベル賞受賞者 (および無数の他の受賞者も同様) が、還元主義的思考がしばしば失敗する方法と理由について明快に書いています。ニュートンの法則や量子論を使用して株式市場を予測したり、乱流や過冷却磁石などの「多粒子」システムのより単純な特性を予測したりすることはできません。そのようなすべての場合において、すべてを「支配」していると思われる物理法則は、私たちが知らない、測定できない、または直接計算する能力を欠いている膨大なものに圧倒されています。物理学は今でもそのようなシステムで機能しますが、微視的な部分を支配する基本方程式から始めるだけではありません.
人々が生命と非生命の境界をどのように見てきたかについての第 2 の誤りは、今日でも蔓延しており、言語の使い方に端を発しています。非常に多くの人が、物理学を十分に理解すれば、水が凍ったり沸騰したりする方法と理由を理解しているのと同じように、最終的に生命とは何かを物理現象として理解できるようになると想像しています。実際、十分に優れた物理理論が、何が生きていて何が生きていないかを判断するための新しいゴールド スタンダードになると人々は期待しているようです.
しかし、このアプローチは、世界の現象に名前を付けるという私たち自身の役割が、何かを生きているとさえ言うことが何を意味するのかを明確に言う能力に先行することを認めていません.生物がどのように振る舞うか、または出現するかについての理論を考案したい物理学者は、私たちが知っている生命の例の特徴を物理言語に翻訳する方法について直感的な選択をすることから始めなければなりません.そうすれば、生きているものとそうでないものの境界は、物理学が提供するものとは異なる話し方を通じて、最初からすでに引き出されているものであることがすぐに明らかになります。
生命はどこから来るのかという問いそのものに、還元主義への希望に満ちた傾向がある程度表れています。私たちは生きている有機体を見て、その形と機能における息をのむような成功は、単純で予測可能なビリヤード ボールのように、より基本的な部品の束が互いに跳ね返った結果なのかと疑問に思わずにはいられません。機械には、ばかげて振動するすべての部品以外に何か他のものがありますか?そうでない場合、最終的には全体がどのように組み合わされているかを理解できるということではないでしょうか?別の言い方をすれば、生命の出現について提案された説明は、すべてを合理化された一連のステップに分解する必要があるのではないでしょうか。もしそうなら、単純で計算可能な一連の既知の物理的ルールによって演出された振り付けされたパフォーマンスに人生を還元したいと言っているのと同じではないのはなぜですか?
物理学者は、かつて絶望的で不思議なほど複雑に見えたシステムで非常に正確な予測を行うことを証明するいくつかのルールをすでに特定していることを認めなければなりません.ケプラーやニュートンのような人々のアイデアのおかげで、天体の動きは今や開かれた本であり、空のこれらの明るい光がどこに行くかを計算する私たちの能力は、目立たない平凡なものであるため、広範な教育を受けることが可能になりました.多くの偉大な大学で物理学の博士号を取得しましたが、厳密な軌道力学の専門的な余興を掘り下げることはありませんでした。しかし、人類の歴史の大部分のどの時点でも優れた自然哲学者であり、太陽、月、星が日と年が経つにつれて大空の中で絶えず再配置されるように見える方法の一見手に負えない複雑さに驚嘆していると想像してみてください。重力と力の下での運動を記述する簡潔な一対の方程式が、遠方の銀河、放浪する惑星、コイル状のバネでぶら下がっている箱をすべて 1 つの包括的な理論的枠組みにまとめることができるという考えは、何千年もの間、あらゆる時代の最も偉大な天才でさえ想像できなかったに違いありません。年。ニュートンと彼の同時代の人々と共に始まった革命の範囲と重要性は、いくら強調してもしすぎることはありません。
そしてやってきた20世紀！アインシュタインは、光の動きを記述する方程式を熟考することから始め、ニュートンが触れることができなかった惑星運動 (つまり、水星) の最後の残りのパズルを最終的に説明するために、洞察力の純粋な力によって重力の起源を再考することになりました。一方、Erwin Schrödinger の量子力学的波動方程式は、原子のロックを解除し、さまざまな種類の帯電したガスから放出される光の色について、エレガントな定量的説明を提供しました。これは、小さすぎて見たり触れたりできない物体の数学的内部動作に関する奇妙で非直感的な理論でしたが、それでも驚くべき正確さで実験測定値と一致する可能性があります。これらの壮大な科学的勝利をきっかけに、より新しく、これまで以上に優れた理論が到着するにつれて、すべての予測不可能性が最終的に一掃されるかもしれないと感じている奇妙な科学者または 2 人を許すかもしれません.
しかし、よく調べてみると、この還元的理論科学の勝利のヒットパレードには、いくつかの偏りがあることがわかります。これらの成功した物理理論の例と他の多くの例に共通しているのは、測定可能ないくつかの異なるものを含む比較的単純な数学的定式化によって記述される、世界の十分に分離された部分を予測しようとするときに、それらが最高のパフォーマンスを発揮することです。太陽系、単一の孤立した水素原子など。これらのケースのそれぞれで、宇宙の残りの部分を除外し、少数の物理量間の関係を正確に記述するいくつかの方程式に焦点を当てることで、理論は成功します。
実際には、強力なスーパーコンピューターで武装した極端な還元主義者が、その部分が従う単純な規則から直接全体の動作を計算しようとすると、目標を何マイルも逃す方法がたくさんあります。物理学のノーベル賞受賞者として、P.W.アンダーソンはかつて、「より多くは違う」と書いたことで有名です。そして、結晶や粘性流体の凍結などについて、非常に優れた物理理論を思いつくことに成功するかもしれませんが、それは、これらのものを構成する原子や亜原子粒子の詳細なモデルを完成させることから始めたからではありません。
分子生物学は、それ自体がハード サイエンスとしての長く由緒ある歴史を持っていることに疑いの余地はありません。分子、細胞、組織、および有機体全体に関する無数の実験のおかげで、生物の驚くほど多様な機能的能力のすべてが、それらの物質部分の物理的特性に健全な基盤を持っていることが非常に明確になりました.
しかし、これは還元主義が支配していると言っているわけではありません。それどころか、生命がどのように機能するかの研究では、創発的特性の「より多くが異なる」という考えがいたるところで頭をもたげます。たとえば、血液は静脈を流れて酸素を運ぶ液体であり、酸素を吸収および放出するその生化学的能力は、ヘモグロビンとして知られる赤血球上のタンパク質の原子構造の観点からよく理解されています。しかし同時に、血液の粘性などの量 (理論的には、水分子と血漿タンパク質やその他の多くの成分との混合によって生じる) を第一原理から正確に予測することは、誰にとってもまったく不可能です。このような不均一な混合物で特定の細胞または分子がどのようにスライドするかに寄与するさまざまな要因の数は、コンポーネントの各ペアの相互作用特性の小さな違いに非常に特殊かつ複雑に敏感であるため、信頼性が高く有益な計算は決してありません経験的な答えが何であるかを測定するために実験を行うだけです.
しかし、この経験的な答えは重要です!生命は特定の領域で繁栄します。そこでは、非常に具体的で正確な特性がそのコンポーネントによって達成され、結果が異なると壊滅的な障害を引き起こす可能性があります.たとえば、血液が血管をどのようにゆっくりと移動するか、または細胞に特定のタンパク質を構築する方法を指示する DNA 配列にわずかな変化があったとしても、生物が生体としてどのように機能するかには、必然的にわずかな違いしかないとは言えません。全体。生命はさまざまな断片の寄せ集めであり、物理的性質のいくつかは他のものよりも機械的に予測しやすいものであり、生物がどのように機能するかにとって非常に重要な要因の少なくともいくつかは、第一原理から導き出すことが不可能な非常に非普遍的な創発特性のカテゴリ.
基本的に、この課題は常に発生し続けます。なぜなら、物理的な用語で話すことは、生物学的な用語で話すことと決して同じではなく、生物学的に重要な質問は、物理的な扱いやすさのために選択されていないからです.代わりに、生物学的および物理的な話し方は、非常に異なる概念空間に根ざしています。
物理学は、距離、質量、持続時間、電荷、温度などの特定の量の測定に根ざした科学へのアプローチです。経験的な観察を行うことについて話している場合でも、予測を行うための理論を開発することについて話している場合でも、物理学の言語は本質的に計量的で数学的です。物理学の現象は、測定可能な数の他のセットが固定または変化しているときに、測定可能な数の 1 つのセットがどのように動作するかという観点から常に表現されます。これが、ニュートンの第二法則 F =ma の天才である理由です。 、力 (F )、質量 (m )、および加速度 (a )、むしろ、これらはすべて、そのような一般的な関係を発見するために、独立して測定および比較できる世界の量であることに気付きました.
これは、生物学の科学がどのように機能するかではありません。確かに、生物学で優れた研究を行うには、数の売買が必要です。特に最近では:が紹介されています）。それにもかかわらず、生命の科学的研究について基本的に定量的なものは何もありません。代わりに、生物学は、生物と非生物のカテゴリーを出発点として当然のことと見なし、科学的方法を使用して、生命の行動と性質について予測可能なことを調査します。生物学者は、世界が実際に生きているものとそうでないものに分かれていることを人類に納得させるために歩き回る必要はありませんでした。代わりに、星、川、木などのありふれたものを表す用語を造語することが、人間の言語の幅と広さにわたって非常に一般的であるのとほぼ同じ方法で、生きていることと生きていないことの違いは語彙で示されます。
要するに、生物学は、それを刺激する既存の生命の概念がなければ発明されなかったはずであり、生きているものについて科学的に推論することによって発見されるものがあることに誰かが気付くことだけが必要でした.ただし、これは、生物学が物理学のように数学に基づいているわけではないことを意味します。植物が成長するために日光が必要であることや、魚が水から引き上げられると窒息することを発見するには、何も定量化する必要はありません.もちろん、植物がどれだけの日光を浴びたかを測定したり、水から出た魚が期限切れになるまでの時間を計ったりすることで、さらに多くのことを知ることができます.しかし、生物学的用語における基本的な経験則は、どのような条件が繁栄を可能にするか、または妨げるかだけに関係しており、繁栄することの意味は、生きていることに成功することがどのように見えるかについての質的かつ全体論的な判断から得られます.私たちが自分自身に正直であるならば、この判断を下す能力は科学者によって教えられたのではなく、より一般的な種類の知識から来ています。 .科学は、物事を生かすか死ぬかの新しい方法を発見するのに役立つかもしれません。私たちが「生命」という言葉を発明したとき、私たちは物理学をまったく知りませんでした。物理学が突然、その言葉の意味を私たちに指示し始めたとしたら、それは奇妙なことです.
ジェレミー イングランドは、グラクソ スミスクラインの人工知能のシニア ディレクターであり、ジョージア工科大学の主任研究科学者であり、MIT の物理学の元トーマス D. およびバージニア W. キャボット キャリア開発准教授です。このエッセイはイギリスの新しい本から改作されています すべての生命は燃えている:熱力学は生物の起源をどのように説明するか。
ジェレミー・イングランドとのインタビュー「The Physicist's New Book of Life」を読んでください。
脚注
1. ワトソン、J.D. &クリック、F.H.C.核酸の分子構造。 自然 171 、737〜738（1953）。 Wüthrich、K. NMR分光法による溶液中のタンパク質構造決定。 生物化学ジャーナル 265 、２２０５９−２２０６２（１９９０）； Rust、M.J.、Bates、M.、およびZhuang、X.確率的光学再構成顕微鏡法（STORM）によるサブ回折限界イメージング。 ネイチャーメソッド 3 、793 (2006).
2.ラフリン、RB＆パインズ、D.すべての理論。 全米科学アカデミーの議事録 97 、28〜31（2000）。アンダーソン、P.W.もっと違う。 科学 177 、393–396 (1972).
Anderson と Laughlin はどちらも、多くのコンポーネントを持つシステムが完全に予測不可能であると主張しているわけではありません。それどころか、彼らは両方とも、そのような非常に複雑なシステムで予測可能性を発見することでキャリアを築きました。しかし、いわゆる硬質凝縮物質の世界 (つまり、金属やよりエキゾチックな固体物質) でよく起こることは、多数を切り抜けて全体の秩序を見る方法は、集合的な行動がなければならないことを認識することです。目前のシステムのいくつかの非常に特定の対称性によって支配されます.
これは数学的に非常に希薄になる可能性がありますが、単純な例として、平面内のあらゆる方向を指している矢印の平らな平面格子を想像してみてください。各矢印のエネルギーが、隣接する矢印と同じ方向を指す程度まで低いと仮定します。したがって、明らかに、すべての矢印が同じ方向を指している場合、集合体のエネルギーは最も低くなります。しかし、対称性は、システムのエネルギーを決定する全体的な方法は、視点を回転させたときにまったく同じに見えるため、最低エネルギー状態がいずれかの方向を指す平均的な偏りを示すべきではないことを示しています.解決策は、無限に多くの同等の最低エネルギー状態があり、すべての矢印が互いに整列しているが、集合的に整列した各状態が異なる方向を指していることを認識することです。
3. 株式市場を予測するために量子論を使用できるというアイデアのような奇抜なものを想像した理由を具体的に述べる価値があります。要点は、物理学者の観点からすると、株の価格を決定するために働くすべての人、文書、コンピューター、電話、工場、鉱山、森林、風 (およびその他すべて) は原子でできているということです。これらの原子が分子に結合する方法は、電荷、光、および物質の相互作用を最も小さなスケールで支配する既知の方程式によって非常によく説明されています。では、これらの方程式を使用して株式 (そして実際には、株式に影響を与える世界のすべての出来事) を予測しようとしないのはなぜでしょうか?このような細かい部分を表現するために必要な計算の規模は、そのタスクをはるかに超えたものにするだけでなく、モデルへの入力として機能する数値のほとんどを知る方法もほとんどありません。したがって、株主が株式公開企業を悩ませているすべてのことを簡単に知ることができないのと同じように、私たちも、デフォルトでは、地球上の各原子または分子が何をしているかについて正確にはほとんど知りません。これらの詳細のすべてを測定しようとする代わりに、モデル化しようとしているもののより単純な図を描く予測モデルを作成する方がはるかに優れています（たとえば、価格は需要と供給のバランスによって決まると仮定することによって） ).
4. アンダーソン、P.W.もっと違う。 科学 177 、393–396 (1972).
リード画像:Sergey Nivens
