ゴルフボールと砲弾をピサの斜塔から落としてみると、物理の法則は、それらの軌跡をピタリと正確に予測してみせる。では砲弾を鳩に変えて、同じ実験をやり直すとどうだろう？

もちろん生物学的システムは物理法則に反したりはしないが、それでもここでの鳩のふるまいを物理学で予測できるようには感じない。鳩が最終目的に据えるのは、生存と生殖だからだ。生物は、哲学者が目的論と呼ぶ何かに行動を導かれている、と言ってもいいだろう。

同じ論理を使うと、現代物理学はビッグバンの数十億分の1秒後の状態から、現在の宇宙の姿を予測することができる。しかし、地球の原始細胞の姿を見て、それらが“予測通り”にヒトにまで繋がったと考える人はいまい。物理的法則は、どうやら進化の過程を操作するものではないらしい。

生物学の「目的論」と「歴史的偶発性」（historical contingency）は科学の中でもユニークなものだと、進化生物学者のエルンスト・マイヤーは論じている。これら両方の特殊性は、おそらく生物学で唯一、普遍的な指針である「進化」が由来となっている。

進化は「機会」と「ランダム性」に依存し、自然淘汰は「意志」と「目的」を露わにする。動物は磁力に引き寄せられるのではなく、生存本能によって水場に引き寄せられる。体の中でもとりわけ脚は、われわれを水辺へと連れ出す目的にかなっている。

マイヤーは、こうした特徴が生物学を非凡なものにしていると主張した。それ自体が法則となり得るからである。しかし近年の非平衡物理学や複雑系科学、そして情報理論の発展は、その見解に挑戦を突きつけた。

一度、生物たるものを「予測できない環境で情報を収集保存する媒介」として捉えた場合、複製、適応、媒介、目的、意義が、進化論的な即応の産物ではなく、紛れもない物理的法則の結果として浮かび上がってくる。言い換えると、物質の働きに関する物理学と、働かせるために進化を促す物理学があるように見えてくるのだ。生体系の定義だと思われていた意義と意図──それらは熱力学的法則と統計力学の狭間から、自然と浮かび上がってくるものなのかもしれない。

2016年11月、物理学者、数学者、コンピューターサイエンティストらは、進化・分子生物学者らと共に、「複雑系」科学のメッカ、ニューメキシコ州サンタフェ研究所のワークショップで、これらのアイディアについて語り合い、議論した。

そもそも生物学とは、どれだけ特殊な（または、そうではない）のだろうか？

意見の一致に至らなかったのは驚くべきことではない。しかし、明確に浮かび上がってきたメッセージがひとつある。もしも生物学的な目的論や媒介の裏に、ある種の物理的法則が横たわっているのならば、そこには基本的な物理学の中心に据えられた概念と同じものが存在するはずだ。それが「情報」である。

無秩序と悪魔

「情報」と「意図」を、熱力学の法則へと繋げる試みが最初に行われたのは、19世紀半ばに、スコットランドの科学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルの手により、統計力学が考案されたときのことである。マクスウェルはこれら2つの要素の導入が、熱力学が不可能の烙印を押した物事を、可能にするかのように見えることを示したのだ。

マクスウェルは、「ガス／圧力」「体積／温度」の間にある、予測可能で信頼性の高い数学的関係が、熱エネルギーによりひどくランダムに運動する無数の分子から、いかにして導き出されるのかをすでに証明していた。言い換えると、熱力学という、圧力と温度に代表される物質の大規模な性質を統一する「熱流の新しい科学」は、分子や原子の微視的スケールにおける統計力学の結果なのである。

熱力学によると、宇宙のエネルギー源から有用な仕事を取り出す能力は、常に減少している。エネルギーのかたまりは減少し、熱源の集中は均一になっていく。すべての物理的過程において、エネルギーの一部は必然的に無駄な熱として拡散され、分子のランダムな運動の中で失われてしまう。

この乱雑性は、エントロピーと呼ばれる熱力学的な量、または常に増加している無秩序の値と同等である。これが、熱力学の第2法則だ。最終的に、すべての宇宙の物質は均一になって、面白味のないごちゃ混ぜ状態となる。エントロピーが最大値をとる「熱学力的平衡」の状態で、再び意味のある事象が起こることはない。

われわれは、本当にそのような荒涼とした結末を運命づけられているいるのだろうか？ マクスウェルはそれを信じたくなく、1867年より、熱力学の第2法則のなかに“穴”を探し出すことに没頭した。彼の目的は、ランダムに運動する分子が入った“無秩序のボックス”を用意し、遅い分子から速い分子を分離して、その過程でエントロピーを減少させることだった。

ここでボックス内の個々の分子を見分けることのできる、ある小さな生物を想像してみてほしい（この架空の生き物は、のちに物理学者ウィリアム・トムソンにより「マクスウェルの悪魔」と命名された）。

この悪魔はボックスを2つの区画に分けることができ、仕切りにはスライドドアがある。彼は、活発な分子が右の部屋から仕切りに近づくたびに、ドアを開けてそれらを左側に通す。のろまな“冷たい”分子が左の部屋から近づくと、ドアを開けてそれらを右側に通す。最終的に、右の部屋には冷たいガスが、左側には熱いガスが集まる。それは軽く叩くことで仕事をする、熱の貯蔵庫である。

これを可能にする2つの理由がある。まず第一に、悪魔はすべての分子を個別に見分けられるため、統計的な平均しかもたないわたしたちより、多くの情報を握っている。第二に、彼には冷たいものと熱いものを分けるという意図的な計画がある。知識と意図を活用することによって、悪魔は熱力学の法則に抗うことができる──。

このように見えたはずだ。実際には、マクスウェルの悪魔は熱力学の第2法則を回避できず、容赦ない熱的死への道を免れられない。それを理解するのに、実に100年もの月日を要した。理由は、熱力学と情報処理（または計算）の間に、密接な関わりがあることを示している。ドイツ系アメリカ人の物理学者ロルフ・ランダウアーは、たとえ悪魔が情報を収集し、エネルギーの無駄にならない無摩擦のドアを動かすことができたとしても、最終的にその“ツケ”を支払わなくてはならないことを証明した。

悪魔は、すべての分子運動をすべては記憶していられないので、エネルギーを収穫し続ける前に、たまに記憶をきれいに消し去って、見たものを再確認しなくてはならない。そして情報消去のこの行為には、避けられない代価がある。エネルギーの散逸と、それゆえのエントロピーの増大だ。悪魔の手の込んだシステムにおいて、第二の法則で得たすべての利益は、情報消去の有限コスト（より一般的に言うと、ある形式から別の形式への情報変換）、または、“ランダウアーの限界”によって帳消しにされるのだ。

生き物は、マクスウェルの悪魔のようだ。ビーカー内で化学反応を起こす物質は、いずれそのエネルギーを消費し、面白味のない滞留と平衡に陥るのに対し、生体系は約35億年前の生命の起源以来、無機的な平衡状態を避けてきた。生物はこの非平衡状態を維持するために、周囲からエネルギーを集める行為を“意図的に”行う。単純な細菌でさえ、熱源や栄養源に向かうという“目的”を持って、動いている。物理学者エルヴィン・シュレーディンガーは、1944年に刊行された著作「生命とは何か？」において、生物とは「負のエントロピー」を食べるものだ、と主張した。

シュレーディンガーの説明は次のようなものだ。負のエントロピーを得るための一連の工程を可能にするのは、情報の取得と保存によって、である。情報のいくつかは遺伝子に刻み込まれ、次世代へと伝えられる。シュレーディンガーは、情報がどこに保存されているのか、またどのようにコード化されているのかを知らなかったが、それらが“何かに”書き込まれていることは理解していた。

彼が直感的に悟り、「非周期的結晶（aperiodic crystal）」と呼んだこの物質は、物理学者として訓練されたフランシス・クリック、そして分子生物学者のジェームズ・ワトソンにインスピレーションを与えることとなった。1953年、彼らは遺伝情報がどのようにDNAの分子構造に刻み込まれているのかを、突き止めたのだ。

ゲノムとは、遠い祖先が地球上で生存するために役立った知識、少なくともその記録の一部なのだ。ワークショップを開いた、サンタフェ研究所の物理学者であり数学者でもあるデイヴィッド・ウォルパートと、彼の同僚アーテミー・コルチンスキーによると、カギとなるポイントは、上手く適応した生物がその環境と相互関係にあることだという。

もしバクテリアが食べ物のありかに向かって左右のどちらに泳ぐかを決めるのなら、それはデタラメに泳ぎ回ってたまたま食物にありつく個体よりも、上手く環境に適応していて、より繁栄するといえるだろう。生物のあり方と環境の相互関係は、それらが共通の情報を共有していることを意味している。

ウォルパートとコルチンスキーは、生物が熱平衡を免れられるのは、この“情報”のおかげだと言う。それはマクスウェルの悪魔のように周囲の変動を読み取って調整し、仕事をする様子と似ている。もし、この情報を取得しなかった場合、生物は徐々に平衡状態へと近づき、いずれ死んでしまうだろう。

このような見方をすると、生命とは「有益な情報の記憶と使用」を最適化する、演算装置とみなすことができる。生命はその道に長けているのだ。マクスウェルの悪魔が提起した難題に対するランダウアーの解決法は、有限な記憶の計算に必要なエネルギーの量、すなわち“忘却”のための絶対的な下限を設定するというものだった。

現在、最も性能のいいコンピューターでも、マクスウェルの悪魔よりはるかに多くのエネルギーを無駄にしている。それは大体、百万倍以上の消費と散逸だ。しかしウォルパートによれば、ひとつの細胞によってなされる演算の控えめな熱力学的効率は、「ランダウアーの限界」の10倍ほどだという。

「自然淘汰は、計算による熱力学的コストを最小限に抑えることを重要視する。それはひとつの細胞がやるべき計算総量を減らすために、最善の力を尽くすのだ」と、彼は語る。言い換えると、生物学とは（おそらくわれわれ人類を除いて）、生存の可否を過度に考慮するものではないらしい。生涯を通して存在のコストと利益を計算するこの問題は、これまで生物学では見落とされてきた。

非生物のダーウィニズム

したがって生物の実体とは、熱平衡を回避するため環境に適応し、情報を使ってエネルギーを収穫する存在とみなすことができる。注目してほしいのは、これがマイヤーを含む多くの生物学者たちがいうように、遺伝子や進化が生物学的「意図」や「目的」に依存するものだとは、ひとつも言及していないことなのだ。

このような認識は、われわれをどこまで遠くへ連れていくのだろう？ 自然選択により磨き抜かれた遺伝子は、間違いなく生物学の中核にある。しかし自然選択による進化自体、純粋に、物理的な宇宙の「機能」と「行き先」に向けた、より普遍的な法則の一部だという可能性はあるだろうか？ 物事はそのように見えかけているのだ。

「適応」は、ダーウィン進化論の特徴だと長いあいだ認識されてきた。しかしマサチューセッツ工科大学のジェレミー・イングランド教授[日本語版記事]は、複雑な非生物のシステムにおいても環境への適応が起こり得ると主張している。

ここでの「適応」は、生存のための十分な機能を持つ生物に対する、ダーウィンの常なる説明よりも、具体的な意味合いがある。ダーウィン進化論の難点のひとつは、過去を振り返ることでしか、うまく適応した生物を定義する方法がないことである。「適者生存」とは、より生存と生殖に優れた個体を指すものだが、どのような適者が必要とされているのかが予測できないのだ。クジラとプランクトンは、どちらも海での生活の適者だが、お互いに共通した特徴をもたない。

イングランドの「適応」の定義は、シュレーディンガーや、実質マクスウェルのそれに近い。上手く適応した存在は、予期せず変動する環境からでもエネルギーを効率的に吸収することができる。それはまるで、船の揺れに対応するのが得意なため、ほかが転倒するなか、足場を保てる人のようなものだ。

イングランドと共同研究者は、非平衡環境における統計力学の概念と方法を用いて、これら順応性の高いシステムは、環境エネルギーを吸収して散逸させ、その過程でエントロピーを生成するシステムなのだと議論している。

複雑なシステムは驚くほど簡単に、巧妙に適応した状態に落ち着く傾向があると、イングランドは言う。「熱変動をする物質は、しばしば、時々刻々と変化する環境から仕事を吸収するに適した形状に、自発的に姿を変えるのです」

この説には、ダーウィンの複製メカニズム、突然変異、形質の遺伝により、徐々に環境に順応していくプロセスがない。とりわけ複製は、ない。「これの何が興味深いのかといいますと、わたし達が“上手く適応している”とみなす構造の起源を物理的に説明するとき、必ずしも通常の意味でいう“生物学的な親”を持つ必要はないということです」と、イングランドは言う。

「自己複製のないケースで、ダーウィンの論理が通じないときでも、熱力学を使えば進化的な適応を説明できるのです」。そのシステムが、複雑かつ汎用性があり、環境変動に敏感に対応することさえできれば。

それでいて、「物理学的な適応」と「ダーウィンの適応」のあいだには矛盾がない。実際、後者は前者の特殊なケースとして捉えることができる。もしそこに複製が存在する場合、自然選択は、システムが環境から「仕事を吸収する能力」（シュレーディンガーの負のエントロピー）を獲得するルートとなる。

自己複製は、複雑なシステムを安定させるのに非常に優れたメカニズムであることから、生物が適用するのは驚くことではない。しかし、複製が通常起こらない非生物の世界では、うまく適応した散逸構造は、風に吹かれて形成された砂の波紋や砂丘のように、高度に組織化されたものである傾向がある。このような見方をすると、ダーウィンの進化論とは、非平衡システムを支配する、より一般的な物理学の法則の特例とみなすことができるのだ。

予測するマシン

「変動する環境に適応する複雑な構造」という全体図は、これらの構造がどのように情報を保存するかの推測を可能にする。要するにそのような構造が生命か否かにかかわらず、得られるエネルギーの効率的使用を強制されている限り、それらは“予測するマシン”となり得るのである。

生物的システムが、環境から何らかのシグナルに反応して状態を変えることは、生命の大きな特徴とも呼べるものだ。何かが起こり、それに反応する。植物は光に向かって成長し、また、それらは病原体に反応して毒素を生成する。これらの環境的シグナルはたいてい予測不可能だが、生体系は経験から学び、環境に関する情報を保存し、将来的な行動のために適用する。

それでも「予測」は必須だ。ハワイ大学のスーザン・スティルと、カリフォルニア州ローレンス・バークレー国立研究所のギャビン・クルックスの研究によると、無秩序で変動する環境にある、エネルギー効率のよいシステムにとって、将来の予測は不可欠だという。

スティルたちは、将来を予測するにかけて価値のない過去の情報は、保存しておくのに熱力学的なコストがかかることを示した。効率を最大化するなら、システムを選択的にする必要がある。過去のすべてを無差別に覚えておくことは、大きなエネルギーコストがかかるのだ。逆に、まったく環境の情報保存に無頓着であれば、予期せぬ事態の対処にいちいち苦労することになるだろう。

「熱力学的に最適化したマシンは、過去の記憶への想起をなるべく最小限に抑え、予測とのバランスを取る必要があります」と述べるのは共著者であり、サイモン・フレイザー大学のデイヴィッド・シヴァックだ。要するにそれは、将来の生存のために有用な、意味のある情報の収集に長けているものでなくてはならない。

われわれは、自然選択が、エネルギーを効率的に利用する生物に有利に働くと思うだろう。しかし、細胞内のポンプやモーターのような生体分子装置でさえ、ある重要な方法で、未来の予測のために過去から学習するのだ。これらのデヴァイスは驚異的な効率を得るため、「さりげなく、これまで経験した世界の簡潔な表現を組み立てて、何が起こるのかを予測できるようにするのです」と、スティルは言う。

死の熱力学

たとえ複製や進化などなく、生体系の基本的な情報処理機能がすでに非平衡熱力学に組み込まれていたとしても、道具の使用や社会的な協力などに見られるより複雑な形質は、進化により培われたものと想像するかもしれない。

しかし、そう簡単に信じ込んではいけない。霊長類や鳥類を含む、高度に進化した生物のニッチと見なされてきたこれらの性質は、相互作用する粒子システムの単純なモデルで模倣可能だからだ。そのシステムとは、とある制約によって方向付けられる。それは時間制限内に、エントロピー値を最大化するようにふるまうのだ（この場合、粒子が取り得るすべての経路の観点から、エントロピーの最大化が定義される）。

エントロピーの最大化は、長いあいだ非平衡系の特徴だと考えられてきた。しかし、このモデルにあるシステムとは、未来へと繋がる時間制限内にエントロピーを最大にするという法則に従っている。言い換えると、それには先見性がある。実質的にそのモデルは、粒子の取りうるすべての経路を把握し、エントロピーを最大にする経路への選択を強要している。ざっと要約すると、それは粒子がとる移動経路に、最も多くの選択肢が開かれている道筋になりがちだ。

あなたは、この粒子システムは「後の行動の自由を保障すべき」という衝動性に駆られ、いかなる場合でもその衝動が行動を導くのだと言うだろうか。このモデルの開発者であるハーヴァード大学のアレクサンダー・ウィスナグロスと、マサチューセッツ工科大学の数学者キャメロン・フリーアは、これを「因果エントロピー的な力」と、呼んでいる。ディスク形状の粒子がある設定に従って行動するコンピューターシミュレーションでは、この力は不気味にも、「知能」を示唆するような結果を生みだしたという。

あるひとつのケースでは、大きなディスクが小さなディスクを“利用して”、細いチューブから2つ目の小さなディスクを取り出した。このプロセスは道具の使用のように見えた。そのディスクを解放すると、システム内のエントロピーは増加した。また別の例では、異なる区画にあるふたつのディスクが、大きなディスクを取り出すために行動を同期させ、その様子はあたかも“社会的協力”の出現であるかのように見えた。

当然、相互作用するこれらのシンプルなディスクには、将来を垣間見るという利益がある。しかし一般的に、生命はそうはいかない。では、これはどのように生物学に関係するのだろうか？ 未だ明確ではないが、ウィスナグロスは、「因果エントロピー的な力に対して、実用的かつ生物学的にあり得るメカニズム」を確立しようとしている。そして、この問題に取りかかることで派生する実用的なものは、人工知能への近道となり得るだろうと、彼は考えているのだ。

「これを達成する手っ取り早い方法は、計算や予測の技術などの理解に向けて真っ向から作業するのではなく、そのようなふるまいを最初に見つけ出し、物理的な原理や制約などを、後ろから理解することです」。言い換えると、最初に適したシステムを見つけ出し、それからどのように機能するかを理解するのだ。

老化も従来、進化による形質だと思われてきた。生物には生殖可能な期間が設けられている。それだけではなく、両親は長く生き過ぎることはなく、資源を奪い合わないことから、子ども達の生存を脅かすこともない。それは確かに真実の一部だろうが、ドイツのジェイコブス大学の物理学者、ヒルデガルト・メイヤーオートマンスは、老化とは生物学的プロセスではなく、情報熱力学に支配された物理的プロセスだと考えている。

老化は確かに単純な摩耗の問題ではない。「われわれを形作る柔らかい組織のほとんどは、老化の前に再生されています」と、メイヤーオートマンスは言う。しかしこの再生プロセスは完璧ではない。情報コピーの熱力学は、その精度とエネルギーとのあいだに、トレードオフを必要とするのだ。

生物のエネルギー供給量は限られているため、時間の経過と共に誤差が蓄積される。生物はこれらのエラーを修復するため、ますます多くのエネルギーを費やさねばならない。その再生プロセスにより、最終的に正しく機能するには欠陥のありすぎるコピーが生成される。これに続くのが「死」だ。

そして実験がこれを裏付けている。培養されたヒト細胞は、老化して停止するまでに40～60回を超える分裂ができないのが長いこと知られている（ヘイフリック限界）。近年の寿命調査では、人間は100歳を大きく超えて生きられない根本的な理由があることが示唆されている。

変動する非平衡環境に現れる、エネルギー効率のいい、組織化した予測システムには、自然と導き出せる結論がある。人類から原初細胞に遡るまでのすべての先祖が、そのようなシステムなのだ。非平衡熱力学は、物質とは、とある状況下で“そういう風にふるまうもの”だと教えてくれているのだ。

言い換えれば、日光や火山活動などのエネルギーが吹き荒れ、平衡からかけ離れた、初期の地球のような惑星に、生命の出現は（多くの科学者が推測しているように）ありえないことではなく、事実上避けられないイヴェントだということである。2006年、エリック・スミスとサンタフェ研究所のハロルド・モロウィッツは、化学成分の原料が“温かく小さな池”の中でゆっくりとかき混ぜられたときよりも、平衡からほど遠い原始的な地球のほうが、非平衡系の熱力学は、組織化された複雑なシステムの出現を引き起こしやすくすると主張した。

その議論が最初になされてから10年後、研究者たちは分析に詳細と洞察を加えた。エルンスト・マイヤーが生物学の本質だと考えていた「意味」と「意図」。それらは統計学と熱力学を伴った、自然の摂理として浮かび上がるかもしれない。そして、それら一般的な性質は、おのずと生命のようなものにつながるのだ。

時を同じくして天文学者たちは、銀河系内の星々を公転する数十億にも及ぶ世界があることを、われわれに示してくれている。その多くは平衡からかけ離れており、少なくともそのいくつかは、地球に似たものだろう。同じ法則は、そこでも確かに当てはまるのだ。