[論文レビュー] No entailing laws, but enablement in the evolution of the biosphere

Giuseppe Longo, Maël Montévil+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2012

Earth Systems and Cosmic Evolution被引用数 50

ひとこと要約

本論文は、生物学的進化が、新しい表現型、生態的ニッチ、エコシステムの根本的かつ予測不能な出現によって、位相空間そのものが常に再構築されるため、包含的法則に従わないとして主張する。決定論的法則の代わりに、進化は『可能化』（enablement）—自己と環境が共進化することで新たな可能性を生み出す動的で共同的創造的なプロセス—によって駆動される。

ABSTRACT

Biological evolution is a complex blend of ever changing structural stability, variability and emergence of new phenotypes, niches, ecosystems. We wish to argue that the evolution of life marks the end of a physics world view of law entailed dynamics. Our considerations depend upon discussing the variability of the very "contexts of life": the interactions between organisms, biological niches and ecosystems. These are ever changing, intrinsically indeterminate and even unprestatable: we do not know ahead of time the "niches" which constitute the boundary conditions on selection. More generally, by the mathematical unprestatability of the "phase space" (space of possibilities), no laws of motion can be formulated for evolution. We call this radical emergence, from life to life. The purpose of this paper is the integration of variation and diversity in a sound conceptual frame and situate unpredictability at a novel theoretical level, that of the very phase space. Our argument will be carried on in close comparisons with physics and the mathematical constructions of phase spaces in that discipline. The role of (theoretical) symmetries as invariant preserving transformations will allow us to understand the nature of physical phase spaces and to stress the differences required for a sound biological theoretizing. In this frame, we discuss the novel notion of "enablement". This will restrict causal analyses to differential cases (a difference that causes a difference). Mutations or other causal differences will allow us to stress that "non conservation principles" are at the core of evolution, in contrast to physical dynamics, largely based on conservation principles as symmetries. Critical transitions, the main locus of symmetry changes in physics, will be discussed, and lead to "extended criticality" as a conceptual frame for a better understanding of the living state of matter.

研究の動機と目的

• 生物学的進化を説明するにあたり、事前に定義された位相空間と包含的法則に依存する古典的物理学的世界観に反論すること。
• 生物学的進化の位相空間が本質的に事前に規定不可能であり、動的に変化していること、したがって運動方程式を定式化することが不可能であることを示すこと。
• 因果関係の代わりに進化ダイナミクスの中心的理論的概念として『可能化』（enablement）を導入し、生物とその環境との間の共同的創造的プロセスに焦点を当てる。
• 物理的ダイナミクスの基盤をなす保存則と対称性—これらは生物学的進化には適用されず、代わりに保存則に反し、対称性が破られるプロセスが関与することを示すこと。
• 進化の複雑性を法則に従うものではなく、歴史的で累積的かつ非エルゴード的プロセスによる根本的出現の結果として再定式化すること。

提案手法

• 物理的ダイナミクス（事前に定義された位相空間と測地線的運動に基づく）と、位相空間が歴史的プロセスによって生じる生物学的進化を対比すること。
• 物理学における対称性と不変変換の数学的分析を用いて、保存則が物理的位相空間の基盤をなす役割を果たすことを強調すること。
• 生物の部分が全体のために存在し、全体によって定義されるというカント的全体（Kantian wholes）の概念を用い、機能的役割が選択と共進化を通じてのみ生じることを分析すること。
• 進化的イノベーションを駆動する非平衡的で対称性が破れる遷移を記述する概念的枠組みとして「拡張された臨界性」（extended criticality）を導入すること。
• 「近接可能な未来」（adjacent possible）を、生物とその環境の共進化によって生じる、可能化された将来の可能性の動的空間として分析すること。
• 生物系の非エルゴード的性質—ほとんどの分子的構成が宇宙において実現されない—が、進化的軌道のアルゴリズム的または有限な形式的記述が不可能であることを示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的法則に類似した包含的ダイナミクスを持つ法則が、生物圏の進化を説明できるか？
• RQ2 なぜ生物学的進化の位相空間は根本的に事前に規定不可能で不変でないのか？
• RQ3 『可能化』（enablement）の概念が、進化生物学における伝統的な因果関係をどのように置き換えるのか？
• RQ4 カント的全体（Kantian wholes）は、新たな進化的軌道を可能にする環境やニッチを、どのように共に創出するのか？
• RQ5 生命の非エルゴード的かつ歴史的な性質は、なぜ保存則と対称性の進化論的適用を根底から揺るがすのか？

主な発見

• 生物学的進化の位相空間は事前に規定できないため、常に変化する表現型とニッチの集合があるため、従来の運動方程式は適用不可能である。
• 境界条件（すなわちニッチ）が事前に規定できないため、仮想の運動方程式ですら統合不可能であり、進化における決定論的予測は無効である。
• 生物圏の出現はいかなる法則によっても包含されないため、極めて複雑な系が包含的法則なしに出現しうることを示し、強力な還元主義を反証する。
• 進化は『拡張された臨界性』（extended criticality）—ランダムかつ非ランダムなプロセスによって駆動される、対称性の破れの連鎖—として特徴づけられ、非エルゴード的で歴史的な軌道を生み出す。
• 物理的制約のため、ほとんどの生物学的構成（例：アミノ酸200個からなるタンパク質）は宇宙において実現されないため、生命の複雑性が歴史的かつ偶然的であることが強調される。
• 『可能化』（enablement）の概念は、生物が環境と未来の可能性を共に創出するプロセスを捉えており、因果関係の代わりに、進化的出現の中心に位置する動的で共同的創造的なプロセスを示している。