それは「大胆かつ画期的な万物の新しい理論」と呼ばれています。それは新しいパラダイムでしょうか?それともそれは誤った命題でしょうか?

物理学と生物学的選択を統一しようとするこの普遍理論は、ネイチャー誌に掲載されるやいなや学界でセンセーションを巻き起こした。これを革新的な統一的枠組みと見る人もいれば、既存の知識の誤解や誇張と見る人もいます。あなたはどちら側ですか？

著者 |シャオイエ

科学者たちは何をしているのでしょうか?地球上の生命の謎を解き明かし、空の星屑の進化を探り、万物の原理を解明する... 周知のとおり、物理学者は前世紀の初めから、宇宙で起こるすべての物理的現象を単純な理論で説明できる可能性を模索してきました。

100 年経った今でも、科学者たちは大胆に新しい理論を発表し続けており、最近では 2 つの理論論文が Nature と Proceedings of the National Academy of Sciences に掲載されました。前者は生物学と物理学を統合する理論的枠組みとなることを試みたが、大きな論争も巻き起こした。後者は、進化のシステムを説明できる「失われた」自然法則の発見を発表し、同僚たちからより認知されたようだった。

組み立て：無生物から生命へと組み立てるプロセス

スコットランドのグラスゴー大学の化学者リー・クロニン氏は、長い間、ある疑問について考えてきた。原子が結合する方法は無数にあるのに、なぜ自然界ではある分子だけが作られ、他の分子は作られないのか？同じ頃、地球の反対側では、米国アリゾナ州立大学の宇宙生物学者で理論物理学者のサラ・ウォーカーが生命の起源について考えていました。この問題は複雑な分子の生成に似ている。なぜなら、生体内で活動している極めて複雑な分子は偶然の産物ではなく、ダーウィンの自然選択説が採用される前に生物学的プロセスを導く何かが存在するに違いないと彼女は推測している。 [1]

二人の科学者は2012年にNASAの宇宙生物学ワークショップで出会った。会議中、2人は情報理論、生命、自律複製機の構築などさまざまなトピックについて議論した。その後、同じような興味を持つ二人は研究グループを結成し、チームを率いて複雑な生物、特に複雑な生命の発生メカニズムを深く探究し、数学で正確な記述ができる矛盾のない理論を確立しようと努めました。これは理論物理学者の非常に古典的な思考モードです。 [1]

2021年に研究チームはNature Communications誌に論文を発表し、初めてアセンブリ理論を正式に提唱した[2]。著者らは、生体システムと非生体システムの違いは、前者は後者が達成できない量と豊富さで複雑な分子を生成できる点にあると仮説を立てている。複雑な分子は、生化学反応を通じて段階的に組み立てられた、構成要素のような多くの単純な分子で構成されています。したがって、著者らは、特定の複雑な化学分子を構築するには、生命の出現に十分な閾値として機能する最小限の組み立てステップ数、つまり著者らが定義した組み立て指数が必要であると推測している。逆に言えば、この閾値を超える複雑さを持つ化学分子には、その背後で生命または生命に似たプロセスが働いていることになります。この理論の本来の意図は、地球外生命の探索で発見された痕跡が生命現象なのか、あるいは少なくとも地球上の既知の生命プロセスに類似しているのかを人間が判断できるように、生化学的観点から新たな生物学的特性を設定するための一連の理論的パラダイムと測定方法を提供することであることがわかります。 [3]

2年後、研究者たちはアセンブリ理論をさらに拡張し、今年10月に「アセンブリ理論は選択と進化を説明し、定量化する」と題する論文をネイチャー誌に発表した[4]。著者自身の言葉によれば、さらに発展したアセンブリ理論は常に化学を舞台の中心に据え、「自然選択を説明し、進化を理解するために物理学と生物学を横断する統一された枠組みを提供する」という。これに基づいて、チームは、4 つの異なる「ユニバース」概念のネストされた階層構造を含む、新しいアセンブリ ユニバース ビューのセットを構築しました。

著者が arxiv.org に公開したプレプリント原稿にある「宇宙」の構造の概略図。出典: arxiv.org

最初で最大のものはアセンブリ ユニバースであり、ここでは基本的な構成要素のすべての順列が許可されます。 2 つ目は、アセンブリ可能宇宙です。この宇宙では、物理法則によってこれらの組み合わせに制約が課せられ、一部のオブジェクトのみが可能になります。次に、アセンブリ コンティンジェント ユニバースは、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し、物理的に許可されたオブジェクトの大きなセットを絞り込みます。 4 番目の宇宙は観測されたアセンブリであり、実際に私たちが見ている特定のオブジェクトを生成するアセンブリ プロセスのみが含まれます。

著者の概念的宇宙において組み立てプロセスがどのように機能するかを理解するために、著者は境界線としてダーウィンの進化論を導入しています。ダーウィンの進化論が作用する前に、アセンブリの可能性のある全範囲から、アセンブリ インデックスの高い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。通常の化学反応では、すべての可能な配列の中から、より速く反応する特定の生成物が「選択」されます。前生物的環境の特定の条件により、宇宙の生命を構成する分子前駆体のプールが選別され、これらの前生物的環境の好みが今日の生物学的分子に記憶されています。つまり、分子は自身の歴史をコード化しているのです。その後、ダーウィンの進化論と自然淘汰が優勢になり始めると、生命は自己複製能力に優れた存在を選択する傾向がありました。このプロセスにおいて、歴史のコード化はますます強力になり、科学者がタンパク質や DNA の分子構造を通じて生物の進化関係を逆推論できるのはそのためです。 [3, 4]

次に、正確な測定を行うために一連の数式を設定することが重要です。 21年前の論文で提案されたアセンブリインデックスに基づいて、研究チームは新しい論文で別の変数、つまり特定のオブジェクトの豊富さまたはコピー数も作成した。クロニン氏は、この変数は極めて重要であると語る。「類似したコピー数を持つ複雑なオブジェクトは、選択の絶対的な黄金のマーカーです。」オブジェクトが複雑になるほど、それを作成した情報駆動型のメカニズムがなければ類似のコピーが存在する可能性は低くなります。これが、複雑なオブジェクトがランダムに生成されるのではなく、選択によって媒介され、その形成履歴によって定義される理由です[3]。オブジェクトを組み立てる手順が増えるほど、出現するまでに自然選択が多くなります。したがって、アセンブリ インデックスとコピー数を組​​み合わせると、オブジェクトのコレクションを生成するために必要な選択の量を決定する式が得られます。言い換えれば、無生物から生命への移行の重要な瞬間など、数学的に定義可能な方法でアセンブリ内のパスを変更する、選択なしから選択への移行をこの方程式に反映できます。本質的には、アセンブリインデックスとコピー数の両方が高いオブジェクトは、選択が機能している証拠です[5]。

論文のプレプリントに描かれた、アセンブリ空間における進化、選択、コピー数の関係の概略図。出典: arxiv.org

もちろん、理論の有効性を実験的に検証することも不可欠かつ重要な部分です。研究者らは、この理論を用いることで、ジエチルフタレート、短いペプチド、細胞構造などのシステムにおける選択と進化を定量化できると述べている。この理論は観察可能な分子レベルで開発されているが、複雑な生命だけでなく言語や技術など、あらゆる種類の複雑性の進化をシミュレートするためのより広範なモデルで使用できる可能性がある。 [3]

複雑な生命と非生命を統合しようとするこの「野心的な研究」は、権威あるトップジャーナルに掲載されると、かなり複雑な反応を受けた。一方で、ネイチャー誌は南アフリカのケープタウン大学の複雑系科学者ジョージ・エリス氏による解説記事も掲載しており[5]、アセンブリ理論は物理学と生物学的選択を統合する普遍的な枠組みであるが、生物学的階層の出現を説明するなど、複雑な環境にどのように適用するかについてはさらなる検討が必要であるとしている。科学メディアもアセンブリ理論を「大胆かつ画期的な万物の新しい理論」と賞賛した[6]。

一方、学術専門家はこの理論を受け入れることができないようだ。論文が発表されて間もなく、科学者たちは論文のコメント欄やメディアですぐに「舌戦」を開始し、非常に活発な論争となった。自分の職業が侮辱されたと感じた人もいれば、同じ職業なのに同僚の記事が何を言おうとしているのか理解できず困惑した人もいました。進化生物学者たちは特に怒っていた。カーティン大学の准教授ビル・ベイトマンは、論文の要旨に基づいて彼が理解した内容について批判し、「進化と物理学を統合することを目指す広範な新しいパラダイムとしてのアセンブリ理論は、私や他の多くの人々にとって、存在しない問題を解決しているように思われる」と述べた[7]。

まず第一に、学術専門家の意見では、この記事は既存の生物学概念に対する誤解に満ちています。

デンマーク工科大学のカスパー・P・ケップ教授は、論文コメント欄で論文のタイトル、概要、冒頭部分を逐語的に反論しており、その言葉遣いは非常に厳しいものであった。ケップ氏はタイトルを例に挙げて、すぐに訂正した。「進化の生物学的単位（核酸とアミノ酸）を適用しない理論では、選択と進化を定量化することはできない。」さらに、タイトルは誇張されており、読者を誤解させる可能性があります。選択理論に関して、論文の著者らは「選択は、物体がその組み立てを考慮した前向きな動的プロセスによって特徴付けられることを明らかにする」と信じている。しかしケップはすぐにこう指摘した。「選択は前向きな動態のプロセスではなく、与えられた一定期間内の集団における表現型の適応度の結果である。」次に著者は、事前に設計された青写真なしに、物理的世界が無限の形態に出現する仕組みを理解したいのであれば、選択を理解して定量化する新しい方法が必要であると述べ、ケップは実際の状況を次のように説明しています。「私たちは選択をずっと前から理解しており、遺伝子、アミノ酸などの「設計」なしにそれを定量化することができます。制限はデータの複雑さです。論文ではまた、最初の一連のアセンブリが初期に出現する際の選択圧について、分子アセンブリに実際に作用する生化学的力とはまったく関係のない曖昧な方法で説明しています。」つまり、ケップ氏の見解では、この論文は進化と生化学について多くの誤解があり、言葉も不明瞭だが、最終的には編集者と査読者の査読を通過した。これは、ネイチャーのような雑誌であっても査読は完璧ではないことを示している。

コメントが送られてから2日後、ウォーカー博士は同様に段落ごとに詳細な返答をし、ケップ教授の批判に反論した。ウォーカー博士は、表題の議論を例に挙げ、進化と選択の理論が提唱された当時、人々は核酸やアミノ酸について知らなかったと述べました。現在生物の形態で展開されている進化論のほとんどは、最終的には核酸とアミノ酸に言及していますが、生物学における既存の理論の多くは、これらの特定の分子だけに依存しているわけではありません。研究チームが挑戦したいのは、生命の起源の問題を解決できる理論（進化論やその他の考えに基づく）が現在存在せず、そのためアセンブリ理論がチームが考え出せる最善の解決策であるという点です。

第二に、技術的な観点から見ると、論文で使用されている測定方法と数式は、完全に著者の独創的なものではありません。

ケンブリッジ大学化学工学・バイオテクノロジー学部の研究者であるヘクター・ゼニル教授は自身のブログ[8]に長文の記事を投稿し、アセンブリインデックスはハフマン符号化やその他の方法と非常に似ているため、単純な統計符号化方式で置き換えることができると指摘しています。ハフマン符号化とは、予測される繰り返し頻度に基づいてシンボルをエンコードするロスレス データ圧縮アルゴリズムを指します。周波数が高くなるほど、エンコードされたシンボルの長さは短くなります。ゼニル氏はまた、従来の1次元ランレングス符号化（RLE）、ハフマン符号化などの方法で得られる相関はアセンブリ指数よりも高いことを実験を通じて指摘した。したがって、ゼニルの見解では、アセンブリ理論はアセンブリ指数を使用して生命と非生命を判断する基準を作っているが、これは車輪の再発明のようなものであるだけでなく、いくぶん誤解を招くものでもある[9]。

北京師範大学珠海キャンパスの国際複雑系センターの著名な准研究員である劉宇氏も、[6]アセンブリ理論とキルシュナー複雑性は同じ問題に直面しており、最もランダムで不規​​則なシーケンスが最も「複雑」であると述べています。したがって、アセンブリ理論では、アセンブリインデックスを分子を生成するための最小ステップ数として定義します。しかし、この論文では、この指標を計算するためにスプリットブランチと呼ばれるアルゴリズムを使用していますが、これは本質的に繰り返される分子内構造の数を繰り返しカウントするもので、「分子を生成するための最小ステップ数」を示すことはできません。 [10]

最後に、論文本文では、科学ニュースサイトArs Technicaの上級科学編集者であり、生物学の高等教育のバックグラウンドを持つジョン・ティマー氏が、論文全体を読んだ上でいくつかの問題点を指摘している[11]。まず、著者自身の「選択と物理の統一」という提案は、読者のアセンブリ理論の理解を妨げる単なる妨害物です。さらに、著者は本文でアセンブリ理論について十分な説明をしていません。これに対し、ワシントン大学の進化生物学者カール・バーグストロム氏は、化学的な観点からのみ議論すれば、アセンブリ理論の統一効果は確かに非常に優れていると指摘した。しかし、本文では、著者は実際にそれを物理学と統一していませんでした。著者らは、「組合せ空間の対象は点粒子および組合せ対象としてモデル化されるため、現在の物理学では組合せ空間は重要な役割を果たしていない」とさえ認めている。さらに、「ある意味で、この定義は、関心のある物体を根本的で破壊不可能なものとして扱う標準的な物理学と完全に逆である。」しかし、これによって著者が要約に全く逆の記述を書くことが妨げられることはありません。

論争にもかかわらず、シドニーのニューサウスウェールズ大学化学学部の教授であるパリ・ソーダルソン氏は、自身のTwitterアカウントに19件のツイートを投稿した[12]。彼の見解は比較的中立的で、態度はよりオープンでした。彼はこう語った。「私の意見では、アセンブリ理論には明らかに利点があり、複雑な化学システム、特に生命の起源と宇宙生物学の研究についての考えを前進させました。しかし、アセンブリ理論を受け入れ、化学、生物学、物理学の3つの主要分野の交差点でより深い役割を果たせるようにするには、実験条件下で生命の起源以前の化学的背景をさらによく確認する必要があると感じています。」

自然進化の「失われた」法則を発見する：生命から宇宙まで

アセンブリ理論はダーウィンの進化論を指します。周知のように、この理論は地球上の生命現象を説明するために使われていますが、惑星、恒星、原子などのより複雑なシステムには適用できません。今年9月に米国科学アカデミー紀要に掲載された論文[13]では、「自然界がどのように機能するかについての重要な原理を初めて認識した、失われた自然法則、つまり複雑な自然システムがどのようにパターン化され、多様で複雑な状態に進化するかを定義する法則」について説明されています。

アメリカの天文学者、惑星科学者、鉱物学者、哲学者からなるチームによって書かれたこの論文は、進化的選択と複雑なシステムを構築する他のプロセスとの並行関係を探ることに焦点を当てている。自然界ではさまざまなシステムの進化が一般的です。記事で引用されている現象には、恒星における元素の混合構造や惑星における鉱物の複雑性の発生などがあり、これらはまさに天文学者や惑星科学者が興味を持っているものである。

著者らは、進化するシステム間の並行関係を概念的に同等なものとして扱っています。なぜなら、それらはすべて 3 つの重要な特徴を示しているからです。第 1 に、それらは多数のコンポーネントで構成されており、それらを組み合わせることで、さまざまな特性を持つ多数の構成を形成できます。第二に、多数の異なる構成を形成するプロセスがあります。 3 番目に、機能に基づいて構成が優先的に選択されます。 ”

生物学を例にとると、ダーウィンは生物学的機能を生存、つまり子孫を残すのに十分な長さ生きる能力と同一視しました。この研究はダーウィンの見解をさらに拡大し、自然界には少なくとも 3 つの機能があることを指摘しました。最も基本的な機能は安定性、つまり生存のために原子または分子の安定した配置を選択することです。同時に、静止状態にも変化が生じ、つまり、継続的なエネルギー供給を伴う動的システムが継続的に存在し続けます。 3番目の機能も最も興味深いです。著者の言葉を借りれば、それは「イノベーション機能」です。進化したシステムは新しい構成を模索する傾向があり、光合成など予期しない新しい動作や特性が現れることもあります。

鉱物界でも同様の進化が起こり、最も初期の鉱物は原子の安定した配列を表し、これらの原始的な鉱物が生命の起源に関与した次世代の鉱物の進化の基礎を築きました。生命と鉱物の進化は絡み合っています。動物の殻、歯、骨はすべて、生命が鉱物を利用した革新的な成果です。

さあ、宇宙を見上げてみましょう。ビッグバンの後、水素とヘリウムという2つの主要元素が短期間で最初の星を形成しました。最も初期の星は、水素とヘリウムを使い続けて、さらに 20 種類の重い化学元素を作り出しました。こうした多様性に基づいて、次の世代の星は100種類以上の元素を生み出し続けました。 [14]

進化の詳細はシステムによって異なる可能性がありますが、著者らは、システムが生物であるか無生物であるかにかかわらず、新しい構成がスムーズに機能し、その機能が強化されると、進化が進行中であると主張しています。さらに、明確に定義されてはいないものの、著者らは生物が「機能情報」と呼ばれるものを所有していることを認めています。言い換えれば、何かが「機能」するとき、生物はそのものを生産し続ける能力と、その変種を生産する能力を持ちます。これは安定した原子核や鉱物に多少似ていますが、後者には DNA によって提供される外部情報ストレージがありません。結論として、著者らは「機能情報の増加の法則」を提案しています。つまり、システムのさまざまな構成が 1 つ以上の機能の選択に直面した場合、システムの機能情報は増加する (つまり、システムが進化する) というものです。

もちろん、平行ではないものもたくさんあります。進化は絶えず新しい構成を模索していますが、元素と鉱物の形成はそれぞれ物理学と化学によって制約されています。これらのシステムはさまざまな圧力と温度範囲に耐えることができますが、生物学と比較すると非常に制限されています。研究者らはまた、「最近の研究では、地球の現在の生物圏の組み合わせ位相空間は、非生物宇宙の組み合わせ位相空間をはるかに超えていると推定されている」と認めている。

しかしながら、この論文の主な目的は、宇宙における地球外生命体の探索のための理論的枠組みを提供することです。カール・セーガン研究所のメンバーであり、コーネル大学天文学部のジョナサン・I・ルニーン氏は、この論文の共著者の一人であり、「進化する物理・化学システムの機能が自然法則によって増大しているのであれば、生命は惑星進化の共通の結果であると予想できる」と説明した。 [14]

どちらも非生命と生命にまたがる新しい理論であるため、ティマー氏は、米国科学アカデミー紀要に掲載された論文の方がネイチャー誌に掲載された論文よりもよく書かれていると考えている。結局のところ、記事内の論理的な議論はより明確で理解しやすいです。ただし、その範囲はアセンブリ理論よりも限定されています。同時に、これらの議論が実際に上記の例の類似点を証明しているかどうかは明らかではありません。なぜなら、概念的な類似点よりも深く探求すべきことがあるからです。

さらに、理論が最終的に有用であるかどうかは、実験的なテストを通じて確認されなければなりません。熱く議論されているアセンブリ理論であれ、天文学者の間でより容易に受け入れられている新しい自然法則であれ、当面はこれらの理論を使用して実験プロジェクトの開発を推進する方法はないかもしれませんが、これは最終的に誰もそれを実行できないことを意味するものではありません。新しい理論が新しいパラダイムなのか、それとも誤った命題なのかについては、まだコンセンサスが得られていません。しかし、科学界では新しい理論が物議を醸すのはよくあることです。これにより、研究者は理論の合理性と有効性についてさらに熟考し、自らの「盲点」を発見するようになり、同僚による最も厳しい批判や実践的なテストにも耐えられる、より信頼性の高い理論を確立できるようになります。最終的な結果がどうであれ、それは人類が創造の最も深い謎を解き明かすために踏み出した一歩一歩の証なのです。

参考文献

[1] https://www.quantamagazine.org/a-new- Theory-for-the-assembly-of-life-in-the-universe-20230504/

[2] https://www.nature.com/articles/s41467-021-23258-x

[3] https://www.chemistryworld.com/news/assembly- Theory-puts-chemistry-centre-stage-to-explain-molecular-complexity-and-lifes-origins/4018228.article

[4] https://www.nature.com/articles/s41586-023-06600-9

[5] https://www.nature.com/articles/d41586-023-03061-y

[6] https://www.sciencealert.com/assembly- Theory-bold-new- Theory-of-everything-could-unite-physics-and-evolution

[7] https://mp.weixin.qq.com/s/oq6P1mqQFZB_UioBq23wrg

[8] https://hectorzenil.medium.com/the-8-fallacies-of-assembly- Theory-ba54428b0b45

[9] https://arxiv.org/abs/2210.00901

[10] https://www.linkresearcher.com/theses/ebe4100d-563e-4da4-84f7-4157cc1e7b39

[11] https://arstechnica.com/science/2023/10/can-selection-tie-evolution-more-closely-to-physics/

[12] https://twitter.com/PalliThordarson/status/1711669007798165633?ref_src=twsrc%5Etfw%7Ctwcamp %5Etweetembed%7Ctwterm%5E1711669007798165633%7Ctwgr%5Edb06f9153e71643e6d528d973c44f0fbed0db ebf%7Ctwcon%5Es1_&ref_url=https%3A%2F%2Fwww.chemistryworld.com%2Fnews%2Fassembly-theory-puts-chemistry-centre-stage-to-explain-molecular-complexity-and-lifes-origins%2F4018228.article

[13] https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2310223120

[14] https://sciencesprings.wordpress.com/2023/10/23/from-the-college-of-arts-and-sciences-at-cornell-university-natures-missing-evolutionary-law-identified/

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

特別なヒント

1. 「Fanpu」WeChatパブリックアカウントのメニューの下部にある「特集コラム」に移動して、さまざまなトピックに関する人気の科学記事シリーズを読んでください。

2. 「Fanpu」では月別に記事を検索する機能を提供しています。公式アカウントをフォローし、「1903」などの4桁の年+月を返信すると、2019年3月の記事インデックスなどが表示されます。

著作権に関する声明: 個人がこの記事を転送することは歓迎しますが、いかなる形式のメディアや組織も許可なくこの記事を転載または抜粋することは許可されていません。転載許可については、「Fanpu」WeChatパブリックアカウントの舞台裏までお問い合わせください。