[論文レビュー] Emergent biological principles and the computational properties of the universe

P. C. W. Davies|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2004

Quantum Mechanics and Applications参考文献 30被引用数 30

ひとこと要約

この論文は、宇宙の有限な情報処理容量に起因して、生命が新たな現象として出現すると提案している。その臨界複雑性は、小さなタンパク質のスケールに相当すると推定され、生物学的出現の始まりを示す。宇宙論的制約と生物学的複雑性を結びつけることで、著者は生命の原理が物理的閉包の違反ではなく、情報理論的制約の結果として生じる、と主張する。

ABSTRACT

The claim that life is an emergent phenomenon exhibiting novel properties and principles is often criticized for being in conflict with causal closure at the microscopic level. I argue that advances in cosmological theory suggesting an upper bound on the information processing capacity of the universe may resolve this conflict for systems exceeding a certain threshold of complexity. A numerical estimate of the threshold places it at the level of a small protein. The calculation supports the contention that life is an emergent phenomenon.

研究の動機と目的

• 出現的生物学的原理と物理の因果的閉包の間の哲学的対立を解消すること。
• 宇宙の有限な計算容量が、生命の出現を説明できる物理的限界を複雑性に課すかどうかを調査すること。
• 生命のような新しい原理が現れるようになる、複雑性の閾値を推定すること。
• 生命の出現が物理法則と矛盾しないこと、むしろ情報理論的制約の結果であることを示すこと。
• 生物学的系を物理的閉包の違反ではなく、宇宙の計算限界に起因する出現現象として位置づけること。

提案手法

• 宇宙の生涯にわたる情報処理の可能なビット数の宇宙論的限界を分析する。
• 既知の物理定数を用いて、観測可能な宇宙における最大の演算数（情報処理イベント数）を推定する。
• この全計算容量を、特にタンパク質を含む生物学的系の情報含量と比較する。
• 可能な構成数が宇宙の計算容量を超える臨界複雑性閾値を特定し、それによって出現的行動が生じると仮定する。
• ランドアウアーの原理とバウッソの共変エントロピー限界を用いて、時空における情報処理を制約する。
• 次元解析と理論的宇宙論を用いて、基本粒子またはビット単位での閾値複雑性の粗い推定値を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生物学的原理の出現は、物理の因果的閉包と調和させられるか？
• RQ2 物理系が新たな原理が現れる前に到達できる最大の複雑性は何か？
• RQ3 宇宙の有限な情報処理容量が、生命の起源を説明する物理的限界を複雑性に課すか？
• RQ4 どの程度の複雑性で、可能な構成数が宇宙の計算容量を超えるようになり、出現的行動が不可避になるか？
• RQ5 生命の出現は、物理法則の違反ではなく、根本的な情報理論的限界の結果であるか？

主な発見

• 宇宙が生涯にわたって行える情報処理イベントの総数は、宇宙論的定数によって制限され、推定で約10^123回の演算に達する。
• 出現的生物学的原理の閾値複雑性は、情報理論的制限に基づき、小さなタンパク質（約100アミノ酸）のスケールに推定される。
• この閾値を超える系は、宇宙が提供できる計算リソースを上回るため、複雑性を低減するための新たな原理が必須であると示唆する。
• 生命の出現は物理的閉包の違反ではなく、宇宙の有限な計算容量の結果である。
• このモデルは、生物学的系が物質の単なる複雑な配置ではなく、情報処理におけるフェーズ転移を表していると示唆する。
• 結果は、生命が時空における情報処理の根本的制約から生じる出現現象であるという考えを支持する。