[論文レビュー] Thermodynamic Function of Life

Karo Michaelian|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2009

Earth Systems and Cosmic Evolution参考文献 68被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、生命の主な熱力学的機能が、特に植物およびシアンオプロテアに起因する蒸散によって全球的水循環を駆動することで、地球のエントロピー生成を促進することであると提唱する。生命は動的触媒として機能し、蒸発、対流、大気循環といったエントロピー生成プロセスを加速する。これにより、生命は受動的な生存者ではなく、惑星規模の熱力学において能動的な役割を果たすものであり、動物はこの過程において補助的役割を果たす。

ABSTRACT

Darwinian Theory depicts life as being overwhelmingly consumed by a fight for survival in a hostile environment. However, from a thermodynamic perspective, life is a dynamic, out of equilibrium process, stabilizing and coevolving in concert with its abiotic environment. The living component of the biosphere of greatest mass, the plants and cyanobacteria, are involved in the transpiration of vast amounts of water. Transpiration is part of the global water cycle, and it is this cycle that distinguishes Earth from its apparently life barren neighboring planets, Venus and Mars. The water cycle, including the absorption of sunlight in the biosphere, is by far the greatest entropy producing process occurring on Earth. Life, from this perspective, can therefore be viewed as performing an important thermodynamic function; acting as a dynamic catalyst by aiding process such as the water cycle, hurricanes, and ocean and wind currents to produce entropy. The role of animals in this view is that of unwitting but dedicated servants of the plants and cyanobacteria, helping them to grow and to spread into initially inhospitable areas.

研究の動機と目的

• ダーウィニズム的生存の枠を超えて、生命が地球の熱力学において果たす役割を再評価し、エントロピー生成を中心的機能として強調すること。
• 生命を受動的な生存競争の存在ではなく、惑星規模のエントロピー生成を加速する能動的役割として示すことで、従来の生命観に挑戦すること。
• 水循環（生物による蒸散によって駆動される）が地球で最も顕著なエントロピー生成プロセスであることを示すこと。
• 特に植物およびシアンオプロテアが、非生物的システムとどのように共進化しながらエントロピー生成を安定化・強化しているかを明らかにすること。
• 動物が意図せずとも、植物の成長と分散を支援することで、生命の熱力学的機能を補完する重要な役割を果たしていることの位置づけ。

提案手法

• 地球で最も顕著なエントロピー生成プロセスとしての全球的水循環を、熱力学的原則を用いて分析する。
• 最大エントロピー生成原理（MEPP）を適用し、生命がエントロピー生成を最大化するように進化したと主張する。
• 蒸散が蒸発および大気対流をどのように促進するかを定量的に評価し、エントロピー生成と関連付ける。
• 金星および火星のエントロピー生成と比較し、これらの惑星に生命および水循環が存在しないことの影響を強調する。
• 蒸発や対流といったエントロピー生成プロセスの活性化エネルギー障壁を低下させる動的触媒としての生命のモデル化。
• 観測データおよび理論的計算を用いて、生物学的蒸散によるエントロピー生成の規模を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球における生命の熱力学的機能は何か？ これはダーウィニズム的生存観とはどのように異なるか？
• RQ2 全球的水循環は地球のエントロピー生成にどのように寄与しているのか？ そして生命はこのプロセスにおいて果たす役割は何か？
• RQ3 なぜ地球のエントロピー生成率は金星や火星よりも顕著に高いのか？ これは生命の存在とどのように関係しているか？
• RQ4 植物およびシアンオプロテアは、蒸散を通じてどのようにエントロピー生成の触媒として機能しているのか？
• RQ5 動物は意図せずとも、生命の熱力学的機能にどのように貢献しているのか？

主な発見

• 生物による蒸散によって駆動される全球的水循環が、地球で最も顕著なエントロピー生成プロセスである。
• 植物およびシアンオプロテアによる蒸散は、蒸発および大気対流を顕著に促進し、エントロピー生成を加速する。
• 地球の高いエントロピー生成率は、生命の存在および水の能動的循環と直接的に関連している。
• 一方、金星および火星は、活性的な水循環および生命を有さないため、はるかに低いエントロピー生成を示し、生命の熱力学的意義を浮き彫りにする。
• 生命は、ハリケーン、海流、風の循環といったエントロピー生成プロセスを促進する動的触媒として機能する。
• 動物が植物の成長および分散を支援する無自覚な担い手であることが示され、生物圏の熱力学的機能を強化している。