[論文レビュー] Biocosmology: Biology from a cosmological perspective

Marina Cortês, Stuart Kauffman+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2022

Earth Systems and Cosmic Evolution被引用数 20

ひとこと要約

本論文は、生命が宇宙において根本的に非エルゴード的な Type III 系であり、宇宙論に還元主義的説明と機能的説明の混合を必要とする、という主張を展開し、熱力学の第四法則を提案している。

ABSTRACT

The Universe contains everything that exists, including life. And all that exists, including life, obeys universal physical laws. Do those laws then give adequate foundations for a complete explanation of biological phenomena? We discuss whether and how cosmology and physics must be modified to be able to address certain questions which arise at their intersection with biology. We show that a universe that contains life, in the form it has on Earth, is in a certain sense radically non-ergodic, in that the vast majority of possible organisms will never be realized. We argue from this that complete explanations in cosmology require a mixture of reductionist and functional explanations.

研究の動機と目的

• 生物学と宇宙論の境界に関する問いに対処するために、宇宙論と物理学をどのように修正すべきか動機づける。
• 三つの宇宙論的統計的システムタイプ（Type I–III）を区別し、それらが生物系に与える影響を分析する。
• 宇宙における生物学の完全な説明には、還元論と機能論の両方のアプローチが必要であると主張する。
• 非平衡・エネルギー流動駆動系を説明するための熱力学第四法則を提案する。
• Type III の枠組みの中で生命を定義し、宇宙論と生物学への影響を論じる。

提案手法

• 熱化時間と制約を通じて、三つの系タイプ（Type I, II, III）を導入・形式化する。
• エルゴード性、等分配、および準安定状態を宇宙論的文脈で分析する（例：星、ブラックホール、核合成）。
• Type III 系は広大な状態空間を有し、根本的に非エルゴード的であると主張し、生物現象を理解するには機能的説明が必要である。
• Type III 系に対する純粋なデターミニズムと還元主義の限界、そして混合的アプローチの必要性について論じる。
• 非平衡系を説明するための熱力学第四法則を提案する。
• Type III ダイナミクスとエネルギー・エントロピーの考慮に基づく生命の定義を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙論的文脈の中で生物学を解明するためには、どのような説明が必要か。
• RQ2 生物現象と生命を宇宙の一部として受け入れるには、宇宙論をどう改訂すべきか。
• RQ3 遍歴性とエネルギー流の観点から、Type III（life-like）系とType I/IIをどう区別するか？
• RQ4 宇宙論的統計的枠組みの中で、生命と生物学的複雑性をどのように定義できるか。
• RQ5 非平衡・エネルギー流系を統御する上で、将来の熱力学第四法則の役割は何か？

主な発見

• 生物系は根本的に反エルゴード的であり、実現される可能状態のごく一部しかない。
• Type III 系（例：生物圏）は連続的なエネルギー流により平衡に達することがなく、純粋な還元主義的説明だけでは不十分である。
• 宇宙論の中で生命を説明するには、還元論的と機能的説明の混合が必要である。
• 生物圏と生命は低エントロピーのエネルギー源（例：the Sun）によって支えられ、宇宙論的時間スケールを超えて持続しうる。
• エネルギー流が非平衡で複雑な構造を保持する役割を形式化することを目的とした、提案された熱力学第四法則。
• 地球で観察される生命は、標準的なエルゴード性の仮定が成り立たない領域の例であり、新しい説明枠組みが必要である。