[論文レビュー] Biocosmology: Towards the birth of a new science

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

Earth Systems and Cosmic EvolutionEarth and Planetary Sciences被引用数 19

ひとこと要約

本稿は、生物圏の構成的複雑性が宇宙の情報含量を支配する可能性を主張することで、宇宙論と生物学を結びつける新しい学問分野「バイオコスモロジー」を提唱する。理論的近接可能領域（TAP）を用い、組み合わせ的イノベーションによって生物学的状態空間が爆発的に拡大することをモデル化し、根本的な物理学よりも生命がより多くの情報を生成する可能性があることを示唆することで、宇宙初期状態の還元主義的見解に挑戦する。

ABSTRACT

Cosmologists wish to explain how our Universe, in all its complexity, could ever have come about. For that, we assess the number of states in our Universe now. This plays the role of entropy in thermodynamics of the Universe, and reveals the magnitude of the problem of initial conditions to be solved. The usual budgeting accounts for gravity, thermal motions, and finally the vacuum energy whose entropy, given by the Bekenstein bound, dominates the entropy budget today. There is however one number which we have not accounted for: the number of states in our complex biosphere. What is the entropy of life and is it sizeable enough to need to be accounted for at the Big Bang? Building on emerging ideas within theoretical biology, we show that the configuration space of living systems, unlike that of their fundamental physics counterparts, can grow rapidly in response to emerging biological complexity. A model for this expansion is provided through combinatorial innovation by the Theory of the Adjacent Possible (TAP) and its corresponding TAP equation, whose solutions we investigate, confirming the possibility of rapid state-pace growth. While the results of this work remain far from being firmly established, the evidence we provide is many-fold and strong. The implications are far-reaching, and open a variety of lines for future investigation, a new scientific field we term biocosmology. In particular the relationship between the information content in life and the information content in the Universe may need to be rebuilt from scratch.

研究の動機と目的

• 根本的な物理学がエントロピーと情報含量を支配すると仮定する見方を疑い直し、生物学的系が宇宙の情報予算において果たす役割を再評価すること。
• 出現的生物学的複雑性が、重力的・真空的寄与と同等かそれ以上の宇宙のエントロピーに相当するだけの十分な大きさの状態空間を生成できるかどうかを調査すること。
• 生物学における非還元的・出現的複雑性の意味が、宇宙論的初期条件および宇宙情報の起源に与える影響を探ること。
• 理論的枠組みを構築すること——理論的近接可能領域（TAP）に基づき、生物学的構成状態空間の爆発的拡大をモデル化すること。
• すべての情報がビッグバン時点で存在すると仮定するニュートン的パラダイムが、生命の出現およびその情報豊富な状態の生成を説明できるかどうかを問い直すこと。

提案手法

• 生物学的系における新しい構成が既存のものから生じる仕組みをモデル化するため、理論的近接可能領域（TAP）を応用する。
• TAP式を用いて、可能な生物学的状態数の増加率を記述し、標準的な順列計算をはるかに超える超組み合わせ的拡大を可能にする。
• 細胞や多細胞生物の生物圏といった階層的生物学的系にTAPモデルを適用し、それらの構成的状態空間を推定する。
• ブラックホールや真空エネルギーからの従来のエントロピー推定値と比較し、Bekenstein限界を基準として用いる。
• 「創造的潜在力」（Q）の概念を導入し、ニュートン的物理学（Q^NP = 1）と法則が進化する枠組み（Q^EL ≫ 1）を区別する。ここでは、時間とともに新しい情報が生成される。
• 生物学的情報はゲノムにだけ埋め込まれているのではなく、繰り返し可能なイノベーションと複製が可能な持続可能なエコシステムに依存していることを強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生物学的系の構成状態空間は、宇宙の全情報含量に支配的寄与を果たすほどに急速に拡大できるか？
• RQ2 複雑な生物学的系の出現は、宇宙のすべての情報がビッグバン時点で存在するとする還元主義的見解にどの程度挑戦するか？
• RQ3 TAP式は生物学的状態空間の爆発的拡大をどのようにモデル化できるか？ また、物理学の従来の順列計算を上回る可能性はあるか？
• RQ4 DNA、文化、特許といった「記憶された」情報が、生物学における持続的組み合わせ的イノベーションを可能にする役割は何か？
• RQ5 生命の出現は、時間とともに新しい情報が生成される創造的宇宙を示唆するのか？ それとも、初期条件が固定されているというニュートン的パラダイムと矛盾するのか？

主な発見

• 生物圏の構成状態空間は、組み合わせ的イノベーションによって、標準的な順列計算をはるかに上回る速度で拡大しうる。
• TAP式の解は、生物学的状態空間が爆発的に拡大できることを示し、複雑性の急速な出現のメカニズムを示唆する。
• 生物学的系は、ブラックホールや真空エネルギーを上回る宇宙の情報含量に貢献する可能性があり、重力的エントロピーの優位性に挑戦する。
• 「創造的潜在力」（Q）の概念により、法則が進化する宇宙論において、宇宙が時間とともに新しい情報を生成できること（Q^EL ≫ 1）が明らかになる。
• 生命の存在は初期条件にコストを負担しない。なぜなら、生命が生成する状態はビッグバン時点で存在しなかったからである。したがって、初期条件問題は悪化しない。
• 生物学的情報は単なる物理的実体ではなく、ゲノムや文化的伝達など、埋め込まれて繰り返し可能で記憶可能なシステムに依存しており、個々の出来事にとどまらないイノベーションを維持する。