[論文レビュー] The origin of life seen from the point of view of non-equilibrium statistical mechanics

David Ruelle|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2017

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、生命の前身である前生物的状態が、統計力学における定常的で非平衡状態として理解可能であると提唱している。その特徴は、持続的なエネルギー散逸と時間反転対称性を有することである。詳細な釣り合いと非平衡統計力学を用いて、このような状態は内部的に組織化されており、微小な摂動に対しても安定している必要があり、環境からの連続的なエネルギー供給によって、複雑で低確率の構造を維持可能であると示している。

ABSTRACT

This note presents a minimal approach to the origin of life, following standard ideas. We pay special attention to the point of view of non-equilibrium statistical mechanics, and in particular to detailed balance. As a consequence we propose a characterization of pre-biological states.

研究の動機と目的

• 生命の起源を、まれな確率的出来事ではなく、非平衡統計力学の自然な結果として理解すること。
• 持続的なエネルギー散逸によって複雑で低エントロピーの構造を維持する、定常的で非平衡状態としての前生物的状態を特徴づけること。
• このような状態が単純な成分の混合物ではなく、組織化された内部反応ネットワークを持つ分解不能な系であることの証明。
• 時間反転不変性と詳細釣り合いが、前生命系における反応速度関係を予測する上で不可欠なツールであることを確立すること。
• 前代謝系がポリマーに基づくフィードバック機構を獲得することで選択と適応が可能になり、生物進化の出発点が形成されることを主張すること。

提案手法

• 時間反転不変性から導かれる詳細釣り合いの公式を用いて、前生物的系における化学反応速度をモデル化する非平衡統計力学の応用。
• 固定された環境条件下で持続する前生物的状態を定義するため、定常性条件（πτ(J→K) = 1）を用いる。
• 系からバスタにエネルギーが流れ出す様子を記述するため、ギブズ自由エネルギー変化ΔMαとその共役量Δ*αを導入する。
• 詳細釣り合いを介して前向きと逆向きの反応確率を結ぶ関係式pα = (pα + p̄α)/(1 + exp[β(ΔMα + Δ*α)])を導出する。
• ΔMαとΔ*αのゆらぎを分析し、環境ノイズが存在する中でも持続的な正のΔMαを維持するメカニズムが、前生物的状態に不可欠であることを示す。
• 安定な前生物的状態は分解不能でなければならないことを示す：独立した部分系に分割すると、安定性や機能が失われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非平衡統計力学を用いて、前生物的状態を形式的にどのように特徴づけられるか？
• RQ2 詳細釣り合いは、前生命化学系の安定性と反応速度にどのように寄与するか？
• RQ3 なぜ前生物的状態は一般的に単純な成分の混合物ではなく、分解不能な系であるのか？
• RQ4 Δ*αによるエネルギー散逸は、非平衡系における複雑で低エントロピー構造の維持とどのように関係するか？
• RQ5 どのような条件下で前生物的系が生物進化を遂げる能力を持つ系に進化できるか？

主な発見

• 前生物的状態は、環境への持続的エネルギー散逸を通じて内部的組織を維持する定常的で非平衡な系である。
• 詳細釣り合いの公式により、前向きと逆向きの反応確率がexp[β(ΔMα + Δ*α)]を介して関連づけられ、反応動力学の予測枠組みが得られる。
• 定常性のためには、平均エネルギー散逸∑pα(−Δ*α) > 0が必須であり、系がバスタにギブズ自由エネルギーを放出している必要がある。
• ΔMαのゆらぎは大きくてもよいが、持続的な正のΔMα（またはそれを生成するメカニズム）を持つ状態でなければ、安定に存続できない。これは、複雑な反応経路の必要性を示唆する。
• 前生物的状態は一般的に分解不能である：成分を混合しても共存ではなく、新たな状態への動的置換が生じる。
• ポリマーに基づくフィードバック機構の出現により、競争と選択が可能になり、生物進化への移行が達成される。