進化論を「再定義」する物理学者、ジェレミー・イングランドとの対話

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「生物」と「非生物」とを分かつものとは、いったい何なのか。マサチューセッツ工科大学の若き准教授が答えを見出そうとしている。手がかりとなるのは「生物物理学」だ。俊英、ジェレミー・イングランドにそのアイデアを問うた。

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目の前をせわしなく動きまわるロボットがあるとしよう。空飛ぶドローンでも、お掃除用ロボでも構わない。何であれ、それらは誰の目にも「生きている」ようには映らないはずだ。われわれは、なぜそれを「非生命的」だと感じるのだろうか。

その理由として、その動きがいかにも計算的で不自然であることが挙げられる。しかし、生物物理学者のジェレミー・イングランドなら懐疑的な目でこう言うはずだ。「それらのロボットの方が、その辺の石ころより生物に近い動きをするとは思わないか?」

マサチューセッツ工科大学(MIT)の物理学部で准教授を務めるジェレミー・イングランドは、生物物理学の分野でにわかに注目を浴びるようになったサイエンティストである。彼はMITに研究室をもち、ある偉大な問いに対する答えを模索する日々を送っている。

その「問い」とは、こうだ──。いったい何が、生物と無機物を隔てるのか? ただの原子の塊が「生命のようなもの」に至る過程には、何が必要なのだろう?

数式から現れた生命誕生へのヒント

生命の起源については過去、幾人もの巨匠たちが挑んできた。が、いまもって確信を抱ける理論は見つかっていない。しかし若干34歳のイングランドの目には、「生命のようなもの」の出現過程は決して奇跡には見えず、そこには確かなる物理的法則が横たわっている。

「ぼくは昔から、シンプルな仮説をもとに幅広い実験ができる理論物理学が好きでした。そして、生物の複雑な機能を、一つひとつの単純な構造として分解できる生物学にも興味がありました。ですからきっと、『生命のようなもの』が物理的制約のなかでどうやって生まれ、ふるまうのか、といったところに疑問があったんだと思います」

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彼の疑問が明確なかたちをもちはじめたのは、5年前、MITで教鞭をとるようになってからだ。彼は理解に苦しむ非平衡統計力学の理論的な部分を深く掘り下げていくうち、その抽象的な数式のなかに、「生命のようなもの」のふるまいに対する“含み”があるように思えてきたと話す。

「ピンときたとか、そんなひらめきがあったわけじゃないんです。間違いだらけの仮定から始まって、現在のセオリーに至るまで、非常に漸進的なプロセスでした」

イングランドの大胆かつ簡潔なアイデアとは、万物はいかにして与えられた環境に適応するのかを数式で表した「散逸適応(Dissipative Adaptation)」と呼ばれるものだ。「生命のようなもの」の発生から、チャールズ・ダーウィンが提唱した「進化」に至るまでは、石が坂を転がるのと同じほど明らかな物理現象のはず。そこには地球外でも通用するような普遍性があるに違いないのだ。

しかし、それにはまず、われわれの凝り固まった固定観念をほぐさなくてはならない。生物とは何か? それは人間特有の「言語」により、固く縛られている。

生物を、物理の視点でみる

読者諸兄は、「生物」という言葉から何を連想するだろう。動くものか、あるいは食事をするものだろうか。われわれが生物を語るとき焦点になるのは、おそらくそれらの「ふるまい、機能、生存、繁殖、遺伝」などに関わるものだ。

対して、物理学が描写し得るのは、生物そのものの「距離(位置)、時間、粒子の数、エネルギー、温度」などで、そこに生命の息吹を感じる人間はあまりいない。しかし、生物はもれなく原子や分子でできていて、それ自身には機能も生存もへったくれもない。われわれの「生物とはこういうものだ」という固定観念さえ取っ払ってしまえば、そこには純粋な物理の法則が働いているのだ。

「これぞ生物特有のものとはっきり認識できる特徴はあると思っています。そのひとつは、エネルギー源の捜索。そのほか、検知・予測などは、生命活動に特有な性質でしょう。ですが、物理的な性質とは、本来「生物であるか否か」というレイヤーとは無関係な言語で表されるものです。生命と非生命の違いとは、人間が人間独自の基準により決めつけ、言葉を重ねていった結果だと思っています」

物理学は別け隔てなく「もの」の状態を描写し、そこに生命と非生命の境界は存在しない。ならば「自然選択により適者は生存する」「弱い個体は淘汰される」など、生物を観察することで得たチャールズ・ダーウィンの進化論の知見を、物理学で表現することは可能だろうか?

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イングランドは、生物が環境へ適応する過程に目を付けた。進化論のなかでも「環境への適応」は生物の進化に必須だとされているものだ。

生物は周囲から「情報」を集めるのに長けている。どんな生物も、環境から自分自身の生存にプラスとなる情報とエネルギー源を捜索し、それを糧として生き延び、自身の複製(つまり、子孫)を残す。このような「適応」へのプロセスを物理的数式で説明できるのなら、少なくとも生物が環境に適応する理由に生物学的な進化論は必要ではない。

生物は物質でできている。生物はエネルギー供給のため、食べなくては生きていけない。生物は熱を放射する。生命活動は不可逆である。ここに働いている法則は「開放系」におけるエントロピーの増大則だ。物理でいう熱力学の第二法則に密接に関わっているものである。
 

生物のエントロピーは増大するのか?

エントロピーの増大則」とは簡単に言うと、濃度や熱などはいつも高い方から低い方へと移動するのが自然の方向で、その逆はありえない、ということである。ガスは時間とともに拡散し、熱いものは自然と冷える。逆があるとすれば、それは時間を戻すことにほかならず、エントロピーはしばし「時間の矢」としてとらえられる。また、時間が経つにつれ、エネルギーは系内(現実でも仮想でも、境界が定められるものの内部)で拡散し、乱雑になる傾向にあるため、エントロピーは系内における“均一さ”の度合いを表すものでもある。

例えばコーヒーの入ったマグに角砂糖を入れると、時間が経つにつれて高濃度の角砂糖は崩れ、低濃度のコーヒー全体へと拡散して均一に甘くなる。そしてこの過程は不可逆である。外からのエネルギーを加えないかぎり、冷たいコーヒーは勝手に沸騰したりしないし、均一になった甘みがいきなり角砂糖に戻ることもない。エントロピーの増大則は、エネルギーの供給なしに永遠に動き続ける「永久機関」が存在しないこと、つまり100パーセントの「仕事」の効率などありえなく、エネルギーのすべてを「仕事」に変換するのは不可能であることを示しているのだ(物理学で「仕事」とは“力”の「移動距離」)。
 
しかし、エントロピーが増大すれば、すべてのものが乱雑になり無秩序になってしまうわけではない。それは外界とエネルギーや物質の交換がある「開放系」か、それらが制限されている「閉鎖系(孤立系含む)」のどちらかによる。

「閉鎖系」内では質量が一定であり、外界とのエネルギーの交換を制限されていることから、時間とともにエントロピーの増大を免れられない。熱いコーヒーに角砂糖を入れたマグを1つの閉鎖系としてとらえた場合、砂糖の濃度が均一になり、コーヒーの温度が室温と同じになった時点で、エントロピーが最大値である「熱力学的平衡」を迎える。一度こうなってしまうと、外界からのエネルギー(たとえば室温が上がるなど)が加わらない限り、冷えきった甘いコーヒーはその状態のまま変化することはない。つまり最終的にわれわれの宇宙も経験するといわれる「熱的死」の状態となる。

反対に、生命活動のような、外界とエネルギー・物質の両方を交換できる「開放系」では、一見、エントロピーの増大則に反したかのような現象が見られる。まず生態系は、単一細胞から多細胞生物へと、より高い秩序をともなって複雑化する方向で進化してきた。それに生物は死ぬときまで「熱力学的平衡」にはまり込んでしまうことはない。そればかりか、われわれの周囲はどう見ても高い秩序や構造があり、時間とともに乱雑化しているようには感じない。すべての物質は時間の経過とともに秩序を失って壊れ、より均一・乱雑になるはずの世界において、生命活動とその周囲は整然とされ秩序を保っている。

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では、どうすれば、このようにエントロピーを低く持続させられるような現象が可能となるのか? 

この問いへの答えを提示したのは、ベルギーの物理学者であるイリヤ・プリゴジン(1917 - 2003)である。彼は1960年代、開放系のシステムにおいて維持される、驚くべき秩序や構造があることを提唱した。あるシステムが非平衡状態にあるとき、外部から連続的なエネルギーのを受けた無機物は、自己組織化して高い秩序をつくる。これはのちに「ベロウソフ・ジャボチンスキー反応」をはじめとするさまざまな実験で証明された。無機物の自己組織化は、生命でしか見られないと思われていた秩序めいた構造が、非生物でも起こりうるという驚異的な発見だった。それは「散逸構造論」としてまとめ上げられ、彼は1977年にノーベル化学賞を受賞している。

生命活動とは、まさにブリゴジンを含む科学者たちが目撃した散逸構造にほかならない。「観察してみると、生物的性質だとされるもののうち、少なくとも1つの要因は驚くほど『生物的な』ふるまいをしている“もの”でも、われわれの認識や言語では確実に『非生命』であるシステムは数多く存在します」と、イングランドは言う。開放系においてみられる散逸構造に、生命と非生命の境はないのだ。

ただし生物は、自己組織化した無機物と比べると、格段に効率よく環境内からエネルギー源を探し出し散逸する。自由エネルギーを取り込み、内部でエントロピーを生産し、外部に代謝する。生命活動とは常に環境と一体化した現象であり、孤立して存在するのは不可能なのだ。生物とは自身を形作る物質を、ほんの束の間、自由エネルギーによって構造化させている「色即是空」の存在に過ぎないのである。

例えば人間を1つの開放系として見た場合、エネルギー源となるのはほとんどの場合、食物だ。人間は食物から得たエネルギーを使って「仕事」をし、エネルギーを周囲に散逸させている。つまり、食物から取り入れたエネルギーで体の修復やメンテをしつつ、畑を耕したり家を建てたりして、周囲に秩序をもたらしている。いや、ただじっとしているだけでエネルギーを吸収して、熱を発しているのだから、生物は生きているだけで立派に仕事(自由エネルギーの消費と散逸)をしていることになる。

その結果、人間の体は時間がたっても乱雑化することなく秩序を保ち、あたかもエントロピーが減少しているように見えがちだが、もちろん熱力学の第二法則に反することはない。生体内部では日々細胞が壊れ、老化するにつれ遺伝子複製には誤りが多くなり、確実にエントロピーの増大則に従った現象が起こっている。生命体は自由エネルギーを使って体の構造を保ち、そうすることで生体内部のエントロピーの増大を極力防いでいるのだ。

しかし、生命活動における二酸化炭素や排泄物などの副産物や、「仕事」がされて外部に構造物がつくられたりするために、周囲のエントロピーは大きく増大する。よって生命活動と環境を含めた系のエントロピーは結果的に増大しているのだ。

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もっとも、このような発見をしたプリゴジンでも、「散逸構造論」だけでは生命誕生の説明にはならないとしている。少なくとも非平衡状態の開放系において、混沌からどのような秩序や構造が生まれるかは、全て純粋な確率によるものだからだ。僅かな温度差でも、ミクロの異物の混入でも、ほんの些細な系の初期値の違いによって自己組織化の構造は大きく変化するだろう。おそらく生命の誕生もしかり。「神はサイコロを振った」のだ。

イングランドの「散逸適応」により発生する「生命のようなもの」

では、進化論でいう「環境への適応」とは、どのような物理的プロセスを踏むのか? すべての生物が得意とするもの。それは「自らが置かれた環境からエネルギーを見いだし、消費・拡散する」ことである。イリヤ・プリゴジンの「散逸構造論」は、確かに生命活動にもみられる物理現象だ。

ジェレミー・イングランドは、「散逸構造論」から一歩を踏み出し、次のように考えた。外界からあるシステムにエネルギー(太陽光のような電磁波)が注がれると、大気や海のような熱浴に「熱」が加わる。このような連続的な熱の不可逆性が増すにつれ、開放系はある方向に「進化」せざるを得ないだろう。

その進化のかたちとは、おそらく物質がより効率的に自由エネルギーを吸収し、散逸させる構造だ。言いかえると、原子の塊はより多くのエネルギーを吸収すべく、局所的・偶発的に流れに適した構造に自己組織化するのだ。

川の流れを想像してみるといい。流れに逆らってボートを漕ぐよりも、流れにまかせたほうがエネルギー効率がいい。同様に、粒子は外界からのエネルギーの流れに逆らうことなく共振するとき、より多くのエネルギーを周囲に散逸することができる。つまり、エネルギーの流れの方向に沿うように原子の塊は自ずと向きを変えるようになる。こうしたイングランドの考えは、非常に直感的である。彼はこの一連の状態を物理的な数式で描写し、それを「散逸適応」とした。その具体的な説明は、科学ジャーナル誌『Nature Nanotechnology』で発表されている

「これが意味するのは、大気や海のような熱浴の中では、原子の塊は時間の経過とともに機械的・電磁的・化学的な『仕事』のエネルギー源に、より上手く共振するようになるということです」

そのように、イングランドは『Quanta Magazine』で述べている。現実でも、雪の結晶、砂丘、などの多粒子のシステムでは、エネルギーが散逸する過程で驚くほどのパターンをもつ構造が生まれる。「ランダムな原子の集合体に長いあいだ光を当て続けると、それがいずれ『植物』になったとしても、そう驚くことではないということです」

われわれはこれまで、生命の誕生は混沌から生まれた奇跡的な事象だと教えられてきたが、「散逸適応」が指し示す「生命誕生の奇跡」とは、物理的法則が幾重にも作用した結果であるということか。しかし、なるほど、開放系にある原子のスープの中で、エネルギーの散逸が秩序や構造をつくり出すのは、実に「自然」なことなのかもしれない。時間が経つと、自己組織化した原子の塊は確率の赴くままさらに複雑な構造へと進化し、おそらくそのなかから「生命のようにふるまう何か」が創発的に出現するのだ。

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進化論的に定義すると、「散逸適応」は、とあるシステムにおいてエネルギーをより効率的に拡散させられる「もの」をより優遇する。それはあまり役に立たない遺伝子の中立的突然変異が、ニッチを満たすために適した環境に進出する「適応放散」の様子にも似ている。生物の進化に無くてはならない「生殖」をする理由も、より多くのエネルギーを周囲に散逸させる個体を増やすため、と説明できるかもしれない。イングランドによると、エネルギーの散逸に最も効率がいいのは、他でもない自分の複製を作ることだからだ(論文:PDF)。

そう考えていくと、イングランドのセオリーはチャールズ・ダーウィンの進化論に取って代わるものではなく、それを再定義するものだ。おそらくダーウィンの進化論は、より一般的な物理現象の一部として説明できるものなのだろう。とはいえ、「散逸適応」が示唆する「進化論」はひどくシンプルで、ある意味出来過ぎているような気さえしてくる。

「ぼくの研究は、歴史的、古生物学的、法医学的な『生命の起源』への知見に言及するものではなく、あくまでも、“生命のような”性質がどんなコンディションで、どのように出現するのかを物理的に実験・検証するというものです」と、イングランドは言う。「散逸適応」はまだまだ理論としては完成からはほど遠く、これを理解するには数々の実験的検証が必要なのだと、彼は謙虚な姿勢を崩すことはない。

そして、賽は投げられた。イングランドのアイディアは様々な分野で広まり、「散逸適応」に関連した実験がすでにいくつか行われている。無機物の自己複製に繋がる物理現象はすでに観測されているし、自己組織化した構造がエネルギーを模索するかのようなふるまいも実験により観測されている。それらは大体においてイングランドをサポートする結果のようだが、彼の導き出した数式が、事実、生命の起源を含む「自然の摂理」として捉えられるかどうかは、いまだ未証明のままである。

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とはいえ、彼のアイデアは、納得する以上に疑問も生じさせる。なぜ火星やほかの惑星では、生命の欠片も見つからないのか。隕石が宇宙から生命の元となる有機物を運んできた可能性も示唆されているが(日本語記事)、地球の生命の起源を説明するのに、はたして必要なものなのか? 筆者がそう訊ねると、彼は簡潔に「『万物のエネルギー散逸はいつも向上する』というシンプルなアイデアよりも、理論は複雑なのでしょう」と、答えた。

「ぼくが真実だと議論できるのは、たとえば非平衡システムで長いあいだ『安定した構造』を保っている系は、過去のどこかで大量のエネルギーを吸収し、散逸してきたということです。それがすぐに“生命のようなもの”に繋がるわけではありません。ですが、持続性のある自己組織化した構造は、周囲からのエネルギーをより上手く吸収する、という例は、われわれが考えていたよりもずっと身近にありふれているのです」

混沌とした原初の地球に無尽蔵の太陽エネルギーを与え、神は結局サイコロを振った。その「目」ゆえに一線を画した生命と非生命。かつて明瞭だったその境界線は、近づいて見るにつれ、霞がかったようにおぼろげになる。しかしその霞の中には、われわれ人類の誕生に関わるひとつの真理が潜んでいるに違いないのだ。答えを探し求めて、いまもなお、彼は生物学と物理学の境界領域を歩んでいる。

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