[論文レビュー] Thermodynamic Mechanism of Life and Aging

Marko Popovic|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2018

Genetics, Aging, and Longevity in Model Organisms参考文献 21被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、老化がエントロピー増加によって駆動される根本的な熱力学的プロセスであると提案する。生命は受精の時点で新規の熱力学的系として始まる。エントロピーの蓄積—成長期には物質の蓄積に起因し、後期には分子的損傷（例：フリーラジカル、リポフスチン）に起因する—が、すべての老化形態（年齢的、生物学的、熱力学的）を定量的に規定しており、生物学的老化と物理的老化を一つの熱力学的枠組みで統一する。

ABSTRACT

Life is a complex biological phenomenon represented by numerous chemical, physical and biological processes performed by a biothermodynamic system/cell/organism. Both living organisms and inanimate objects are subject to aging, a biological and physicochemical process characterized by changes in biological and thermodynamic state. Thus, the same physical laws govern processes in both animate and inanimate matter. All life processes lead to change of an organism's state. The change of biological and thermodynamic state of an organism in time underlies all of three kinds of aging (chronological, biological and thermodynamic). Life and aging of an organism both start at the moment of fertilization and continue through entire lifespan. Fertilization represents formation of a new organism. The new organism represents a new thermodynamic system. From the very beginning, it changes its state by changing thermodynamic parameters. The change of thermodynamic parameters is observed as aging and can be related to change in entropy. Entropy is thus the parameter that is related to all others and describes aging in the best manner. In the beginning, entropy change appears as a consequence of accumulation of matter (growth). Later, decomposition and configurational changes dominate, as a consequence of various chemical reactions (free radical, decomposition, fragmentation, accumulation of lipofuscin-like substances...).

研究の動機と目的

• 生物的および非生物的システムにわたる生命と老化を理解するための統一的熱力学的枠組みを確立すること。
• 老化におけるエントロピーを、生物的個体における中心的パラメータとして特定すること。
• 同じ物理法則が動的および非動的物質の老化を支配することを説明すること。
• 寿命の間に、物質蓄積によるエントロピー増加から損傷によるエントロピー蓄積への移行を分析すること。
• 受精によって新規の熱力学的系が形成され、その進化が生命と老化を定義することを示すこと。

提案手法

• 受精の瞬間から生物を閉じた熱力学的系としてモデル化する。
• 時間経過に伴う熱力学的パラメータ（特にエントロピー）の変化を、老化の中心的指標として追跡する。
• エントロピー増加の2段階を区別する：初期の成長（物質蓄積）と後の老化（分子的損傷）。
• フリーラジカル反応、断片化、リポフスチン蓄積などの主要な生物学的プロセスが、老化後期におけるエントロピー増加の主な寄与要因であると特定する。
• 統計力学および非平衡熱力学の原則を生物系に適用する。
• エントロピーを、年齢的、生物学的、熱力学的老化を結びつける統一的パラメータとして用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生物的個体における老化は、どのように熱力学的原則を用いて記述できるか？
• RQ2 エントロピーは、年齢的、生物学的、熱力学的老化を統合するために果たす役割は何か？
• RQ3 なぜ生物的および非生物的システムが同じ物理法則に従って老化を経験するのか？
• RQ4 寿命の異なる段階で、エントロピー増加を主導する物理的プロセスは何か？
• RQ5 受精による新規個体の生成が、独自の老化軌道を持つ新規の熱力学的系を定義する仕組みは何か？

主な発見

• 生物的個体における老化は、根本的にエントロピー増加によって支配される熱力学的プロセスである。
• エントロピー増加は、成長期における物質蓄積に起因し、後期にはフリーラジカル反応やリポフスチン蓄積などの分子的損傷プロセスに起因する。
• 非生物的物質の老化を支配する同じ物理法則が生物的個体にも適用され、生物学的老化と物理的老化が統合される。
• 受精は、エントロピーの進化によって定義される独自の老化軌道を持つ新規の熱力学的系を形成する。
• エントロピーは、年齢的、生物学的、熱力学的老化のすべての形態を記述するための最も包括的なパラメータである。
• 老化の成長期から老化期への移行は、バイオシンテシスによる正のエントロピー生成から、分解および断片化によるエントロピー生成へのシフトによって特徴づけられる。