人生を組み立てる新しいアイデア
私たち自身のような複雑な構造を理解したい場合、アセンブリ理論では、そのような実体がどのようにして誕生したかの歴史全体を説明する必要があると言われています。
アセンブリ理論は、一見無限の組み合わせの可能性があるにもかかわらず、私たちが宇宙でオブジェクトの特定のサブセットのみを観察する理由を説明します。
サミュエル・ベラスコ/クアンタ・ マガジン
はじめに
他の世界に生命体が存在するとしても、それは認識できないほど異質なものである可能性があります。エイリアンの生物学が、DNA やタンパク質などのよく知られた構成要素を使用して、地球と同じ化学反応を使用するという保証はありません。科学者は、それらが生物学の仕業であることを知らずに、そのような生命体の痕跡を発見することさえあるかもしれません。
この問題は仮説からはほど遠いものです。 4月、欧州宇宙機関のジュース宇宙船は仏領ギアナから木星とその衛星へのコースで飛び立った。それらの衛星の 1 つであるエウロパには、凍った地殻の下に深い塩水の海があり、太陽系内で地球外生命体を探すのに最も有望な場所の 1 つです。来年、NASAの探査機エウロパクリッパーも打ち上げられ、同じくエウロパを目指します。どちらの宇宙船にも、氷の下に生命が存在する可能性を示唆する複雑な有機分子の指紋を探す装置が搭載されています。そして 2027 年に、NASA は、土星の衛星タイタンの表面上を飛び回るために、ドラゴンフライと呼ばれる無人機のようなヘリコプターを打ち上げる予定です。この世界は、液体炭化水素の湖があり、生命の生息にちょうどよいかもしれない、炭素が豊富な霞んだ世界ですが、私たちが知っているようなものではありません。
地平線上にあるこれらのミッションやその他のミッションは、1970 年代にバイキング着陸船で火星の生物学の兆候を探そうと初めて試みて以来、科学者たちを悩ませてきたのと同じ障害に直面することになります。それは、生命の決定的な兆候が存在しないということです。
それが変わろうとしているのかもしれない。 2021年、スコットランドのグラスゴー大学のリー・クローニン氏とアリゾナ州立大学のサラ・ウォーカー氏率いるチームは、なじみのない化学を使用する分子であっても、生体システムによって作られる分子を識別する非常に一般的な方法を提案した。彼らの手法は、地球外生命体が地球上の生命体と同様の化学的複雑性を持つ分子を生成すると単純に想定していると彼らは言いました。
アセンブリ理論と呼ばれるこのペアの戦略を支えるアイデアには、さらに壮大な目的があります。最近の一連の出版物で説明されているように、この本は、あなたや私のような、一見ありそうもないものが存在する理由を説明しようとしています。そしてそれは、その説明を、物理学の通常の方法ではなく、時代を超越した物理法則ではなく、物体にそれ以前のものの歴史と記憶を吹き込むプロセスにおいて求めます。何千年もの間、科学者や哲学者を困惑させてきた質問、つまり生命とは何ですか?
にも答えようとしています。当然のことながら、このような野心的なプロジェクトが懐疑的な見方を引き起こしました。その支持者たちは、それが研究室でどのようにテストされるのかをまだ明らかにしていない。また、科学者の中には、集合理論が生命と非生命を区別し、複雑性について新しい方法で考えるという、より控えめな約束さえ果たせるのではないかと疑問に思う人もいます。
アセンブリ理論は、部分的には、「組み合わせ空間が広すぎるため、複雑な分子がそのまま存在することはできない」というリー クローニンの疑念を捉えるために進化しました。
リー・クローニン氏のご厚意
しかし、アセンブリ理論はまだ初期段階にあり、複雑さがどのように発生し、進化するかという問題に新たな視点をもたらす可能性があると考える人もいます。進化論者でサンタフェ研究所所長のデービッド・クラカウアー氏は「関わるのは楽しい」と語った。アセンブリ理論は、オブジェクトの偶発的な歴史を発見する方法を提供する、と彼は言いました。この問題は、物事のありように焦点を当て、どのようにしてそのようになったのかに焦点を当てる傾向があるほとんどの複雑性理論では無視されています。アリゾナ州立大学の物理学者であるポール・デイビス氏もこれに同意し、「複雑さに対する私たちの考え方を変える可能性を秘めた斬新なアイデア」と呼んでいます。
物事の順序について
アセンブリ理論は、異なる原子を組み合わせる方法が天文学的な数にあるのに、自然が一部の分子を作り、他の分子を作らないのはなぜかとクローニンが尋ねたときに始まりました。物理法則に従って物体が可能であると言うのは別の話です。それは、その構成要素からそれを作るための実際の経路があるとも言えます。 「集合理論は、組み合わせ空間が広すぎるため、複雑な分子がそのまま存在することはできないという私の直観を捉えるために開発されました」とクローニン氏は述べています。
一方、ウォーカーは生命の起源という問題に取り組んでいた。この問題は、複雑な分子の生成と密接に関係している。なぜなら、生物の分子は偶然に組み立てられたとは思えないほど複雑だからである。ダーウィンの選択が引き継がれる前から、何かがそのプロセスを導いていたに違いないとウォーカーは考えた。
クローニンとウォーカーは、2012年にNASAの宇宙生物学ワークショップに参加した後、力を合わせた。「サラと私は、情報理論と生命、そして自己複製機械を構築するための最小限のルートについて話し合っていた」とクローニンは回想する。 「そして、私たち二人とも、生物学の前に欠けている『原動力』があるという事実に収束しつつあることが、私にとって非常に明確になりました。」
さて、組立理論は、物がどのように作られるかという明らかな歴史的偶然性について、一貫した数学的に正確な説明を提供する、と二人は言う。例えば、なぜ最初に多細胞生物が誕生し、次に人間が誕生し、次に文明と科学が誕生するまでロケットを開発できないのかという理由である。オブジェクトが表示される特定の順序があります。
「私たちは再帰的に構造化された宇宙に住んでいます」とウォーカー氏は言う。 「ほとんどの構造は過去の記憶に基づいて構築されなければなりません。情報は時間の経過とともに構築されます。」
それは直感的に明らかなことのように思えるかもしれませんが、物事の順序に関する質問の中には答えるのが難しいものもあります。恐竜は鳥よりも先に存在しなければならなかったのでしょうか?モーツァルトはジョン・コルトレーンよりも先に存在しなければならなかったのでしょうか？どの分子が必然的に DNA やタンパク質よりも前に存在したと言えますか?
複雑さを定量化する
アセンブリ理論では、複雑なオブジェクトは多くの単純なオブジェクトを組み合わせることによって生じるという、一見議論の余地のない仮定を立てています。この理論によれば、オブジェクトがどのように作られたかを考慮することで、オブジェクトの複雑さを客観的に測定することが可能です。これは、材料からオブジェクトを作成するために必要な最小ステップ数を計算することによって行われ、これはアセンブリ インデックス (AI) として定量化されます。
さらに、複雑なオブジェクトが科学的に興味深いものであるためには、オブジェクトが大量に存在する必要があります。非常に複雑なものがランダムな集合プロセスから生じる可能性があります。たとえば、古いアミノ酸を鎖に結合することでタンパク質のような分子を作ることができます。ただし、一般に、これらのランダムな分子は、酵素のように振る舞うなど、興味深いことは何も行いません。そして、この方法で 2 つの同一の分子が得られる可能性は、非常に小さいです。
しかし、機能的な酵素は、ランダムに組み立てられるのではなく、世代を超えて受け継がれる遺伝的指示に基づいて組み立てられるため、生物学において何度も確実に作られます。したがって、単一の非常に複雑な分子を見つけても、それがどのように作られたのかについては何もわかりませんが、何らかの調整されたプロセス (おそらく生命) が働いていない限り、多数の同一の複雑な分子を見つけることはありそうもないことです。
Cronin と Walker は、分子が検出できるほど十分に豊富であれば、その集合指標によって、それが組織化された生きているようなプロセスによって生成されたかどうかを示すことができると考えました。このアプローチの魅力は、分子自体の詳細な化学反応や、それを作った生命体のような物質の化学反応については何も想定していないことです。それは化学的に不可知論的です。そして、そのため、地球上の生化学に適合しない可能性のある生命体を探索する場合、それは特に価値があると、コーネル大学の惑星科学者であり、土星の氷の衛星エンセラドゥスで生命を探索する提案されたミッションの主任研究員であるジョナサン・ルーニン氏は述べています。
「生命探知ミッションには、少なくとも 1 つの比較的不可知的な技術を搭載する必要があります」とルニン氏は言いました。
そして、惑星表面の化学を研究するためにすでに使用されている技術を使用して、集合理論で要求される測定を行うことが可能である、と彼は付け加えた。 「データの解釈にアセンブリ理論を使用できる測定の実装は非常に可能です」と彼は言いました。
生涯にわたる仕事の尺度
必要なのは、特定の分子の AI を決定するための迅速かつ簡単な実験方法です。 Cronin、Walker らは、化学構造のデータベースを使用して、さまざまな分子構造を作成するために必要な最小ステップ数を計算する方法を考案しました。彼らの結果は、比較的小さな分子の場合、集合指数は分子量にほぼ比例することを示しました。しかし、より大きな分子（たとえば、小さなペプチドより大きなもの）の場合、この関係は崩れます。
このような場合、研究者らは質量分析法を使用して AI を推定できることを発見しました。この技術は、NASA の探査車キュリオシティが火星の表面の化合物を特定するために、また NASA のカッシーニ宇宙船がエンケラドゥスから噴出する分子を研究するためにすでに使用されています。
質量分析法は通常、大きな分子を断片に分割します。 Cronin、Walkerらは、このプロセス中に、AIの高い大きな分子は、AIの低い分子（単純な反復ポリマーなど）よりも複雑なフラグメントの混合物に破壊されることを発見した。このようにして、研究者は分子の質量スペクトルの複雑さに基づいて AI を確実に決定することができました。
その後、研究者らがこの技術をテストしたところ、生きたシステムによって作られた分子の複雑な混合物、 つまりE の文化であることがわかりました。大腸菌 細菌、タキソール（抗がん作用を持つ太平洋イチイの木の代謝物）などの天然物、ビール、酵母細胞などは、通常、ミネラルや単純な有機物よりも平均 AI が大幅に高かった。
この分析は偽陰性の影響を受けやすく、アードベッグのシングルモルト スコッチなど、生物系の一部の製品には非生物起源を示唆する AI が含まれています。しかし、おそらくもっと重要なのは、この実験で偽陽性が発生しなかったことです。非生物システムは生物学を模倣するのに十分な高度な AI を集めることができないのです。そこで研究者らは、高分子 AI を備えたサンプルが別の世界で測定された場合、それは生命体と呼べる存在によって作られた可能性が高いと結論付けました。
メリル・シャーマン/クアンタ・ マガジン;出典:https://doi.org/10.1038/s41467-021-23258-x
質量分析は、物理サンプルにアクセスできる宇宙生物学的調査、つまり着陸船ミッション、または世界の表面から放出された分子を拾って分析できるヨーロッパクリッパーのような一部の周回衛星でのみ機能します。しかし、Croninらは今回、一貫した結果が得られる他の2つの手法を使用して分子AIを測定できることを示した。そのうちの 1 つである赤外分光法は、遠く離れた世界の化学組成を遠隔調査するジェームス ウェッブ宇宙望遠鏡のような機器で使用できる可能性があります。
これらの分子検出法が岩石から爬虫類に至るまでクリーンな物差しを提供するというわけではありません。ケンブリッジ大学のコンピュータ科学者で生物工学者のヘクター・ゼニルは、グラスゴーのグループが検査したすべてのサンプルの中で唯一最高の AI を持つ物質、つまりこの尺度から最も「生物学的」と考えられる物質は細菌ではないと指摘しました。
ビールでした。
決定論の束縛を取り除く
集合理論は、私たちのような物体は単独で発生することはできず、一部の複雑な物体は他の物体と結合してのみ発生する可能性があると予測しています。これは直感的に理にかなっています。宇宙は決して人間を一人だけ生み出すことはできません。人間を作るには、私たち全員を作る必要がありました。
人間一般 (特にあなたと私) のような、特定の実際の存在を説明する場合、伝統的な物理学はあまり役に立ちません。これは自然法則を規定し、特定の結果は特定の初期条件の結果であると想定しています。この観点からすると、私たちは宇宙の最初の瞬間に何らかの形でコード化されたに違いありません。しかしホモ・ サピエンスを作るには確かに非常に微調整された初期条件が必要です。 (あなたは言うまでもなく) 避けられません。
アセンブリ理論は、そのような過度に決定された構図から逃れられる、とその支持者たちは言う。ここでは、初期条件はあまり重要ではありません。むしろ、私たちのような特定の物体を作るために必要な情報は、最初から存在していたわけではなく、宇宙の進化の展開過程で蓄積されていくものであり、それによって私たちは、ありえないほど微調整されたビッグバンにそのすべての責任を負わせる必要から解放されます。情報は「初期条件ではなく、途中にある」とウォーカー氏は言いました。
観察された現実への鍵が普遍的な法則にあるのではなく、ある物体が組み立てられたり、別の物体に変形したりする方法にあるかもしれないことを説明しようとしている科学者は、クローニンとウォーカーだけではない。オックスフォード大学の理論物理学者キアラ・マーレット氏は、物理学者デヴィッド・ドイチュ氏と同様のアイデアを開発しています。彼らがコンストラクター理論と呼んでいる彼らのアプローチは、マーレットがアセンブリ理論に「精神的に近い」と考えており、どのタイプの変換が可能であり、不可能であるかを検討します。
「コンストラクター理論は、特定の変換を行うことができるタスクの世界について語っています」とクローニン氏は言います。 「それは、物理法則の中で起こり得ることを制限するものと考えることができます。」組立理論では、その方程式に時間と歴史が追加される、と彼は言います。
一部のオブジェクトが作成され、他のオブジェクトが作成されない理由を説明するために、アセンブリ理論は 4 つの異なる「宇宙」の入れ子になった階層を特定します。
アセンブリ ユニバースでは、基本的な構成要素のすべての並べ替えが許可されます。 Assembly Possible では、物理法則によってこれらの組み合わせが制限されるため、一部のオブジェクトのみが実行可能になります。次に、アセンブリ派遣団は、可能なパスに沿って実際に組み立てることができるオブジェクトを選択することにより、物理的に許可された膨大なオブジェクトを整理します。 4 番目の世界は、観察されるアセンブリです。これには、実際に目にする特定のオブジェクトを生成したアセンブリ プロセスだけが含まれます。
メリル・シャーマン/クアンタ・ マガジン;ソース:https://doi.org/10.48550/arXiv.2206.02279
アセンブリ理論は、グラフまたは相互リンクされたノードのネットワークの数学的研究から得られたアイデアを使用して、これらすべての宇宙の構造を調査します。これは「オブジェクトファースト理論」であり、「[理論における] モノとは、そのコンポーネントではなく、実際に作られたオブジェクトである」とウォーカー氏は述べています。
これらの概念的宇宙内で集合プロセスがどのように機能するかを理解するには、ダーウィンの進化論の問題を考慮してください。従来、進化とは、複製する分子が偶然に生じたときに「たまたま起こった」ものであるが、進化可能な分子が存在してから進化が始まったと言うように見えるため、この見方はトートロジーとなる危険性がある。その代わりに、アセンブリ理論とコンストラクター理論の両方の支持者は、「物理学に根ざした進化の定量的理解」を求めているとマーレット氏は言いました。
アセンブリ理論によれば、ダーウィンの進化が進む前に、アセンブリ可能オブジェクトから高 AI オブジェクトの複数のコピーを選択する必要があります。クローニン氏は、比較的複雑な分子を小さなサブセットに絞り込むことによって、化学だけでもそれが可能であるかもしれないと述べた。通常の化学反応では、反応速度が速いため、考えられるすべての組み合わせの中から特定の生成物がすでに「選択」されています。
したがって、温度や触媒作用のある鉱物の表面など、前生物環境の特定の条件によって、可能集合体の中から生命の分子前駆体のプールが選り分けられ始めた可能性がある。集合理論によれば、これらのプレバイオティクスの好みは今日の生体分子に「記憶」され、それ自体の歴史がコード化されます。ダーウィンの選択が引き継がれると、よりうまく自己複製できるオブジェクトが優先されるようになりました。その過程で、この歴史の暗号化はさらに強力になりました。科学者がタンパク質や DNA の分子構造を利用して生物の進化の関係を推測できるのはまさにこのためです。
したがって、集合理論は「物理学と生物学にわたる選択の記述を統一する枠組みを提供する」とクローニン、ウォーカーらは書いている。 「オブジェクトが『より多く組み立てられる』ほど、それが存在するためにより多くの選択が必要になります。」
「私たちは化学から生命がどのように生じるかを説明する理論を作ろうとしています。そしてそれを厳密で経験的に検証可能な方法で行っています。」
すべてを支配する 1 つの対策?
クラカウアー氏は、アセンブリ理論とコンストラクター理論の両方が、複雑なオブジェクトがどのように生成されるかについて刺激的な新しい考え方を提供すると感じています。 「これらの理論は化学実験室というよりも望遠鏡に似ています」と彼は言う。 「これにより、私たちはものを作るのではなく、見ることができるようになります。それはまったく悪いことではなく、非常に強力になる可能性があります。」
しかし彼は、「あらゆる科学と同様、証拠は暗黙の了解になるだろう」と警告します。
一方、ゼニルは、コルモゴロフの複雑さなど、すでにかなりの複雑さの指標が存在することを考えると、アセンブリ理論は単に車輪の再発明にすぎないと考えている。マレットは同意しません。 「複雑さの尺度はいくつかありますが、それぞれが複雑さの異なる概念を捉えています」と彼女は言いました。しかし、それらの措置のほとんどは現実世界のプロセスに関連していないと彼女は言いました。たとえば、コルモゴロフの複雑さは、物理法則が許すあらゆるものを組み合わせることができる一種の装置を想定しています。マレット氏は、これは「可能議会」には適切な措置だが、「監視議会」には必ずしも当てはまらないと述べた。対照的に、アセンブリ理論は「複雑さの抽象的な概念ではなく、操作的に定義された物理的特性に焦点を当てているため、有望なアプローチです」と彼女は言いました。
クローニン氏によると、このような以前の複雑さの尺度に欠けているのは、複雑なオブジェクトの歴史に関する意味です。この尺度では、酵素とランダムなポリペプチドが区別されません。
クローニンとウォーカーは、集合理論が最終的には時間の性質や熱力学第二法則の起源など、物理学における非常に広範な問題に取り組むことを期待している。しかし、それらの目標はまだ遠いです。 「アセンブリ理論プログラムはまだ初期段階にあります」とマーレット氏は語った。彼女は、この理論が研究室で実際に研究されるのを見ることを望んでいます。しかし、それは自然界でも起こるかもしれません。それは、異世界で起こっている本物のようなプロセスを探すためです。
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