[論文レビュー] Biology and Thermodynamics: Seemingly-Opposite Phenomena in Search of a Unified Paradigm

Shahar Dolev, Avshalom C. Elitzur|ArXiv.org|Dec 16, 2000

Gene Regulatory Network Analysis参考文献 14被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、熱力学、特に第二法則とエントロピーが、生物学的現象を理解するための統合的枠組みを提供すると提案している。生命を、エネルギーの流れによって維持される非平衡状態で低エントロピーな状態として位置づける。生物学的秩序、情報、複雑性は、エントロピー、不可逆性、情報理論からの鍵となる知見によって生じ、最終的に人間によるエントロピー生成の生態的・倫理的影響を強調する。

ABSTRACT

It is probably not a coincidence that two of the pioneers of thermodynamics, Helmholtz and Mayer, were physicians. Thermodynamics studies the transformations of energy, and such transformations ceaselessly take place in all living systems (probably with important differences between the states of health and disease). Moreover, thermodynamics studies the elusive notions of order and disorder, which are also, respectively, the very hallmarks of life and death. These similarities suggest that thermodynamics might provide a unifying paradigm for many life sciences, explaining the multitude of life's manifestations on the basis of a few basic physical principles. In this article we introduce some basic thermodynamic concepts and point out their usefulness for the biologist and the physician. We hope to show that thermodynamics enables looking at the riddles of life from a new perspective and asking some new fruitful questions.

研究の動機と目的

• 生物学的秩序と複雑性を理解するための基礎的枠組みとして熱力学を確立すること。
• 第二法則が混乱の増加を予測するにもかかわらず、生命が低エントロピーを維持できるという見かけのパラドックスを解明すること。
• 生物系が連続的なエネルギー供給と情報処理を通じて秩序を維持する仕組みを示すこと。
• 産業化と人口増加に伴い、人間社会が環境エントロピーを増加させることによる生態的・倫理的影響を強調すること。
• 生命科学者および医療科学者に、より深く、より厳密な知見を得るため、研究に熱力学的原則を統合するよう促すこと。

提案手法

• 平衡状態、束縛エネルギー対自由エネルギー、無秩序、不可逆性、微視的状態数といった、古典的熱力学的定義に基づくエントロピーの分析。
• ガスが真空に膨張する思考実験を通じて、閉じた系におけるエントロピー増加と不可逆性の説明。
• ボルツマンの統計的エントロピー定義（S = k ln W）を用い、マクロな秩序とミクロな状態配置の関係を結びつける。
• 恒常性を保つ細胞内の秩序の維持といった、生物系と熱力学系との類似性の考察。
• 特にDNAが生物学的情報を記憶する媒体であることに注目し、情報理論と熱力学の接点を明らかにする。
• 人間の発展をエントロピー生成プロセスとしてモデル化し、社会的・生態的スケールへの熱力学的推論の拡張。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ生命は第二法則が予測する混乱の増加にもかかわらず、低エントロピーと高い秩序を維持できるのか？
• RQ2 エントロピーと平衡状態の観点から、生命と死の区別にどのような熱力学的根拠があるのか？
• RQ3 DNAに蓄えられる生物学的情報（例：遺伝情報）の保存と利用は、熱力学的効率とエントロピー低減とどのように関係するのか？
• RQ4 人間社会の技術的・人口的拡大が、環境エントロピーの増加によって熱力学的原則をどれほど侵害しているのか？
• RQ5 熱力学は、生化学から生態学に至るまで多様な生物学的分野を統合する枠組みを提供できるのか？

主な発見

• 生命は、エネルギー供給が継続する限り、非平衡状態で低エントロピーを維持する状態であり、系と環境全体を考慮すれば第二法則と整合的である。
• 閉じた系におけるエントロピーの自発的増加は、真空にガスが不可逆的に膨張する現象によって示され、微視的状態数の増加と利用可能なエネルギーの喪失によってエントロピーが増加する。
• 生物的秩序は第二法則に反するものではなく、エネルギー消費によって生じる局所的エントロピー低下であり、宇宙全体のエントロピーは増加している。
• DNAに蓄えられる情報は、膨大な熱力学的投資を意味する。たった1つのアメーバを基本要素から合成するコストは天文学的な規模であり、生物系の効率性を強調する。
• 人間社会は、汚染、資源消費、人口増加によって環境エントロピーを増加させている。その結果、生物多様性の喪失や気候変動といった生態的影響は、熱力学的に避けがたいものである。
• 都市の拡大とがん性腫瘍の増殖の類似性は、人間の発展が自然の複雑性を破壊することを示しており、エントロピー増加とシステム劣化の熱力学的原則と整合的である。