[論文レビュー] Origins of Life: A Problem for Physics

Sara Imari Walker|arXiv (Cornell University)|May 23, 2017

Origins and Evolution of Life参考文献 104被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、生命の起源が化学ではなく物理学の根本的問題であると主張し、情報、階層構造、上位から下位への因果関係に基づいた統一的物理理論——非生物的物質が生物的系に移行する仕組みを説明できるもの——の必要性を提唱している。RNAワールドから自己触媒的ネットワーク、熱力学的臨界性に至る主要なモデルをレビューし、生命の出現には情報駆動の組織化と階層的因果関係を扱える新しい物理学が必要であると結論づけている。

ABSTRACT

The origins of life stands among the great open scientific questions of our time. While a number of proposals exist for possible starting points in the pathway from non-living to living matter, these have so far not achieved states of complexity that are anywhere near that of even the simplest living systems. A key challenge is identifying the properties of living matter that might distinguish living and non-living physical systems such that we might build new life in the lab. This review is geared towards covering major viewpoints on the origin of life for those new to the origin of life field, with a forward look towards considering what it might take for a physical theory that universally explains the phenomenon of life to arise from the seemingly disconnected array of ideas proposed thus far. The hope is that a theory akin to our other theories in fundamental physics might one day emerge to explain the phenomenon of life, and in turn finally permit solving its origins.

研究の動機と目的

• 生命の起源を、単なる生化学的・生物学的問題ではなく、基礎物理学の核心的問題として再定式化すること。
• 生命の定義とその起源の解決は、別個の問題ではなく、統一理論を必要とする密接に結びついた課題であると主張すること。
• 上位から下位への因果関係、情報処理、階層的組織といった、生命状態の背後にある物理的原則を特定すること。
• RNAワールド、自己触媒的集合、熱力学的臨界性などの既存モデルが、生命の出現をどの程度説明できるかを評価すること。
• 他の物理学の基本的理論と同等に、普遍的に生命を説明できる新しい物理理論の提唱。

提案手法

• 遺伝子第一、代謝第一、自己触媒的ネットワークモデルを含む、生命の起源研究における主要な理論的枠組みのサーベイ。
• 情報が生物学的系において上位からの制御を通じて因果的要因として機能する仕組みの分析。
• 熱力学、臨界現象、ヘモキラリティといった物理的原則が、生命の普遍的特徴である可能性を検討。
• 現在のモデルが、最小限の生命ですら持つ複雑さと動的豊かさに到達できない限界の評価。
• 生命の理論は階層的組織と、マクロスケールでの情報媒介制御の出現を説明しなければならないと提唱。
• 粗粒化、再正準化といった基礎的物理学の概念との類似性を用い、生命の組織化が物理的にどのように根拠づけられるかを示唆。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような物理的原則が生物的系と非生物的系を区別し、普遍的に記述可能か？
• RQ2 なぜ現在の化学的・生化学的モデルは、最小限の生命ですら持つ複雑さを再現できていないのか？
• RQ3 情報が物理系において因果的要因として機能する仕組み、特に上位から下位への因果関係を通じてどのように機能するのか？
• RQ4 階層的構造と粗粒化されたマクロ状態は、生命の出現においてどのような役割を果たすのか？
• RQ5 根本的な物理的理論としての生命理論はどのような姿をとるのか？そして、多様な生命の起源仮説を統合するにはどうなるべきか？

主な発見

• 現在の物理理論は、生命現象を説明できないが、既知の法則に違反するわけではないため、生命の起源は未解決のままである。
• 生命はおそらく上位から下位への因果関係を含んでおり、高次の情報構造が低次のダイナミクスに影響を与える。これは標準的還元主義に挑戦する。
• 情報は生物的系において物理的かつ因果的であるが、その正確な役割が現在の物理学では生物的複雑性の組織化を説明できていない。
• RNAワールドや自己触媒的集合といったモデルは洞察に富んでいるが、現実の生命が持つ動的豊かさと進化可能性に到達できない。
• 生命の出現には、階層的組織、情報の流れ、歴史的偶然性を扱える新しい物理的枠組みが必要となる可能性がある。
• 非生物的物質から生物的物質への移行を普遍的に説明できる生命の根本的物理理論は、まだ得られていないが、生命の起源を解明するには不可欠である。