新たな自然法則が宇宙の複雑さを説明しようとする

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

1950年、イタリアの物理学者エンリコ・フェルミは同僚たちと知的生命体の存在の可能性について議論していました。フェルミは、もし地球外文明が存在するなら、宇宙全体に広がるのに十分な時間があったはずだと述べました。では、彼らはどこにいるのでしょうか？

フェルミの「パラドックス」には様々な答えが提唱されてきた。例えば、地球外文明は恒星間放浪者となる前に燃え尽きるか自滅するかもしれない、といった説がある。しかし、おそらく最も単純な答えは、そもそもそのような文明は存在しない、というものだ。知的生命体の存在は極めて可能性が低く、私たちがこの疑問を提起するのは、まさにその極めて稀な例外だからである。

学際的な研究チームによる新たな提案は、この暗い結論に異議を唱えるものです。彼らは、宇宙に存在するものの複雑さは時間とともに、熱力学第二法則（無秩序の尺度であるエントロピーの必然的な増加を規定する法則）に匹敵する不可避性をもって増大するという、まさに新たな自然法則を提唱しました。もし彼らの主張が正しければ、複雑で知的生命体は広く存在するはずです。

この新しい視点では、生物進化は、質的に異なる物質形態、すなわち生物を生み出した特異なプロセスとしてではなく、宇宙を支配するより一般的な原理の特別な（そしておそらくは必然的な）ケースとして捉えられます。この原理によれば、実体は、ある種の機能を果たすことを可能にする情報に富んでいるという理由で選択されます。

ワシントンD.C.のカーネギー研究所の鉱物学者ロバート・ヘイゼンと宇宙生物学者マイケル・ウォン、そして他の研究チームによって提唱されたこの仮説は、激しい議論を巻き起こした。一部の研究者は、この考えを自然の基本法則に関する壮大な物語の一部として歓迎している。彼らは、物理の基本法則は自然現象を理解するために必要なすべてを提供するという意味で「完全」なのではなく、むしろ進化（生物学的であろうとなかろうと）は、物理学だけでは原理的に予測できない機能や新奇性をもたらすのだと主張する。「彼らが成し遂げたことを本当に嬉しく思います」と、ペンシルベニア大学の複雑性理論の名誉教授であるスチュアート・カウフマンは述べた。「彼らはこれらの疑問に正当な根拠を与えたのです。」

機能に関する進化論的考え方を非生物系にまで拡張するのは行き過ぎだと主張する者もいる。この新しいアプローチで情報を測定する定量的な値は相対的であるだけでなく、状況によって変化するため、計算は不可能である。こうした理由やその他の理由から、批評家たちはこの新しい理論は検証不可能であり、したがってほとんど役に立たないと主張している。

この研究は、生物進化が科学の通常の枠組みにどのように当てはまるかをめぐる、現在も続く議論に深く関わっています。ダーウィンの自然選択による進化論は、生物が過去にどのように変化してきたかを理解するのに役立ちます。しかし、多くの科学理論とは異なり、未来を予測することはあまりできません。この理論を、複雑性を増すメタ法則の中に組み込むことで、未来に何が待ち受けているのかを垣間見ることができるのではないでしょうか。

意味を作る

物語は2003年、生物学者ジャック・ショスタックがネイチャー誌に機能情報の概念を提唱する短い論文を発表したことに始まる。6年後、別の研究でノーベル賞を受賞することになるショスタックは、タンパク質やDNA鎖といった生体分子が具現する情報量、つまり複雑さを定量化しようとした。1940年代に電気通信研究者クロード・シャノンが提唱し、後にロシアの数学者アンドレイ・コルモゴロフが発展させた古典情報理論は、一つの答えを提示する。コルモゴロフによれば、記号列（例えば2進数の1と0）の複雑さは、その配列をいかに簡潔に一意に特定できるかにかかっている。

例えば、DNAを考えてみましょう。DNAは、ヌクレオチドと呼ばれる4つの異なる構成要素が鎖状に連なっています。1つのヌクレオチドのみで構成され、繰り返して配列するDNA鎖は、4つのヌクレオチドすべてで構成され、配列がランダムに見えるDNA鎖（ゲノムではより一般的）に比べて、複雑さがはるかに少なく、ひいてはエンコードされる情報量も少なくなります。

しかし、ショスタック氏は、コルモゴロフの複雑性の尺度は、生物学的分子がどのように機能するかという生物学にとって極めて重要な問題を無視していると指摘した。

生物学では、複数の異なる分子が同じ働きをすることがあります。RNA分子を考えてみましょう。RNA分子の中には、容易に定義・測定できる生化学的機能を持つものがあります。（DNAと同様に、RNAはヌクレオチドの配列で構成されています。）特に、アプタマーと呼ばれる短いRNA鎖は、他の分子にしっかりと結合します。

特定の標的分子に結合するRNAアプタマーを見つけたいとしましょう。複数のアプタマーで結合できるのでしょうか、それとも1つだけでいいのでしょうか？もし1つのアプタマーだけがその役割を担うのであれば、それは唯一無二のものです。一見ランダムに見える長い文字列が唯一無二であるのと同じです。Szostak氏は、このアプタマーは彼が「機能情報」と呼ぶものを多く持つだろうと述べました。

多数の異なるアプタマーが同じタスクを実行できる場合、機能情報ははるかに少なくなります。したがって、同じサイズの他の分子がどれだけ同じタスクを同様に実行できるかを調べることで、分子の機能情報を計算できます。

ショスタックはさらに、このような場合、機能情報は実験的に測定できることを示した。彼は多数のRNAアプタマーを作製し、化学的手法を用いて、選択された標的分子に結合するアプタマーを特定・単離した。そして、より優れた結合分子を探すために、成功したアプタマーを少し変異させ、このプロセスを繰り返した。アプタマーの結合性能が向上するほど、ランダムに選ばれた別のRNA分子が同様に結合する可能性は低くなる。つまり、各ラウンドで成功したアプタマーの機能情報は増加するはずである。ショスタックは、最も優れたアプタマーの機能情報が、理論的に予測される最大値に徐々に近づいていくことを発見した。

機能のために選択

ヘイゼン氏は生命の起源について考えていた時に、ショスタック氏の考えに出会った。鉱物学者として、彼はこの問題に惹きつけられた。鉱物上で起こる化学反応が生命の誕生に重要な役割を果たしたと長い間疑われてきたからだ。「生命と非生命という二分法で語るのは誤りだと結論づけました」とヘイゼン氏は語る。「そこには何らかの連続性があるはずだ、より単純なシステムからより複雑なシステムへとこのプロセスを推進する何かがあるはずだと感じました」。機能情報は「あらゆる種類の進化するシステムの複雑さの増大」に迫る道筋となると彼は考えた。

2007年、ヘイゼンはショスタックと共同で、突然変異によって進化するアルゴリズムを用いたコンピュータシミュレーションを作成しました。この場合、アルゴリズムの機能は標的分子に結合することではなく、計算を実行することでした。彼らはまた、システムが進化するにつれて、機能情報が時間の経過とともに自発的に増加することを発見しました。

そこでこのアイデアは何年も放置されたままだった。ヘイゼン氏は、ウォン氏が2021年にカーネギー研究所のフェローシップを受け入れるまで、このアイデアをどう発展させれば良いのか見当もつかなかった。ウォン氏は惑星大気の研究経験があったが、彼とヘイゼン氏は同じ疑問を抱いていることに気づいた。「初めて一緒に座ってアイデアについて話し合った瞬間から、信じられない思いでした」とヘイゼン氏は語った。

「他の惑星における生命探査の最先端の技術に幻滅していました」とウォン氏は語った。「地球上の生命に限定されすぎていると思っていましたが、他の惑星の生命は全く異なる進化の軌跡を辿るかもしれません。では、地球上の生命から十分に抽象化することで、たとえ化学的に異なる特性を持つとしても、ハリケーンのようなあらゆる種類の自己組織化構造を含めずに、他の惑星の生命に気づくことができるのでしょうか？」

二人はすぐに、全く異なる分野の専門知識が必要だと気づきました。「全く異なる視点からこの問題に取り組む人々が必要でした。そうすることで、互いの偏見を抑制し、バランスをとることができたのです」とヘイゼン氏は言います。「これは鉱物学の問題でも、物理学の問題でも、哲学的な問題でもありません。これらすべてが絡み合った問題なのです。」

彼らは、機能情報が、生物のような複雑なシステムが、時間とともに起こる進化のプロセスを通じてどのように発生するかを理解する鍵となるのではないかと考えました。「私たちは皆、熱力学の第二法則が時間の矢を導くと考えていました」とヘイゼン氏は言います。「しかし、宇宙が辿る道筋は、はるかに特異なようです。それは機能選択によるものだと考えています。これは、秩序だった状態へと導く、非常に秩序だったプロセスです。これは第二法則の一部ではありませんが、矛盾するわけでもありません。」

このように見ると、機能情報の概念により、チームは生命とはまったく関係がないように見える複雑なシステムの発達について考えることができました。

一見すると、あまり有望なアイデアには思えません。生物学では、機能は意味を持ちます。しかし、岩石にとって「機能」とは何を意味するのでしょうか？

ヘイゼン氏によると、これが実際に意味するのは、何らかの選択的プロセスによって、ある物質が他の多くの潜在的な組み合わせよりも優先されるということだけだ。ケイ素、酸素、アルミニウム、カルシウムなどから、膨大な数の鉱物が形成される可能性がある。しかし、特定の環境で見つかる鉱物はごくわずかだ。最も安定した鉱物が最も多く存在することが判明する。しかし、より安定な相に変換するための十分なエネルギーが得られないため、安定性の低い鉱物が残存することもある。

これは、理論上は存在し得るにもかかわらず、ある物体は存在し、他の物体は存在しないと言うのと同じような、些細なことのように思えるかもしれない。しかし、ヘイゼン氏とウォン氏は、鉱物においてさえ、地球の歴史を通して機能情報が増加してきたことを示した。鉱物はより複雑な方向へと進化する（ただし、ダーウィンの理論的な意味ではそうではない）。ヘイゼン氏らは、グラフェンのような複雑な炭素形態が、土星の衛星タイタンの炭化水素に富む環境で形成される可能性があると推測している。これは、生命に関係しない機能情報の増加のもう一つの例である。

化学元素も同様です。ビッグバン直後の瞬間は、未分化のエネルギーで満たされていました。物質が冷えるにつれてクォークが形成され、陽子と中性子へと凝縮しました。これらは水素、ヘリウム、リチウムの原子核に集まりました。星が形成され、その中で核融合が起こったとき初めて、炭素や酸素のようなより複雑な元素が形成されました。そして、いくつかの星が核融合燃料を使い果たしたときに初めて、それらの崩壊と超新星爆発によって重金属などのより重い元素が生成されました。こうして、元素の核構造は着実に複雑化していきました。

ウォン氏は、彼らの研究は3つの主要な結論を示唆していると述べた。

まず、生物学は進化の一例に過ぎません。「複雑なシステムの進化を促す、より普遍的な記述が存在します。」

第二に、エントロピーの増大を説明する熱力学の第二法則が時間の好ましい方向を生み出すと考えられているのと同様に、「この増大する複雑性を説明する時間の矢印」が存在する可能性があると彼は述べた。

最後にウォン氏は、「情報そのものは、質量、電荷、エネルギーと同様に、宇宙の重要なパラメータである可能性がある」と述べた。

ヘイゼンとショスタックが人工生命アルゴリズムを用いて進化について行った研究では、機能情報の増加は必ずしも緩やかではなかった。時には突然の飛躍的な増加もあった。これは生物進化に見られる現象と一致する。生物学者は古くから、生物の複雑性が急激に増大する変遷を認識してきた。そのような変遷の一つは、細胞核を持つ生物の出現（約18億年前から27億年前）である。その後、多細胞生物への移行（約20億年前から16億年前）、カンブリア爆発（約5億4000万年前）における体形態の急激な多様化、そして中枢神経系の出現（約6億年前から5億2000万年前）が起こった。人類の到来は、おそらくもう一つの大きな急速な進化の変遷であったと言えるだろう。

進化生物学者は、これらの遷移をそれぞれ偶発的な出来事と捉える傾向がありました。しかし、機能情報理論の枠組みにおいては、進化過程におけるこのような飛躍（生物学的なものであろうとなかろうと）は必然的なものである可能性があるようです。

ウォンはこれらのジャンプを通して、進化する物体が全く新しい可能性と組織化の方法の風景へとアクセスしていく様子を描き、まるで「次の階」へと浸透していくかのように捉えている。重要なのは、進化の継続を左右する選択基準も変化し、全く新しい道筋を描くことだ。次の階には、到達する前には想像もできなかった可能性が待ち受けている。

例えば、生命の起源においては、原生物学的分子が長期間にわたって安定して存在し続けることが重要だったかもしれない。しかし、そのような分子が互いの形成を触媒できるグループ（カウフマンが自己触媒サイクルと呼んだもの）に組織化されると、サイクルが持続する限り、分子自体は短命で済む可能性がある。今や重要なのは、熱力学的安定性ではなく、力学的安定性である。サンタフェ研究所のリカール・ソレは、このような飛躍は、水の凍結や鉄の磁化といった物理学における相転移に相当する可能性があると考えている。これらは普遍的な特徴を持つ集合的プロセスであり、あらゆる場所で、あらゆるものが同時に変化することを意味する。言い換えれば、この見方には、ある種の進化物理学が存在する。そしてそれは、私たちが既に知っている物理学の一種である。

生物圏は自らの可能性を創造する

機能情報の難しいところは、サイズや質量などの尺度とは異なり、それが文脈的であるということです。つまり、オブジェクトに何をさせたいか、そしてそれがどのような環境にあるかによって異なります。たとえば、特定の分子に結合する RNA アプタマーの機能情報は、通常、別の分子に結合する情報とはまったく異なります。

しかし、既存の構成要素の新たな用途を見つけることこそが、まさに進化の営みです。例えば、羽は飛ぶために進化したわけではありません。こうした再利用は、生物の進化がいかに場当たり的で、利用可能なものを利用するかを反映しています。

カウフマンは、生物進化は常に新しい種類の生物を生み出すだけでなく、生物にとっての新たな可能性も生み出していると主張する。それは進化の初期段階には存在しなかっただけでなく、存在することさえあり得なかった可能性でもある。30億年前の地球上の生命を構成していた単細胞生物のスープから、ゾウが突然出現することはあり得なかった。ゾウが出現するには、それ以前に、偶発的ではあるが具体的な革新が数多く必要だったのだ。

しかし、物体の用途の数には理論的な制限はありません。つまり、進化における新しい機能の出現は予測できないということです。しかし、いくつかの新しい機能は、その後のシステムの進化のルールそのものを決定づけることがあります。「生物圏は独自の可能性を生み出しています」とカウフマンは言います。「何が起こるか分からないだけでなく、何が起こり得るかさえ分かりません。」光合成はまさに画期的な発展でした。真核生物、神経系、言語も同様です。微生物学者のカール・ウーゼと物理学者のナイジェル・ゴールデンフェルドは2011年に、「元のルールの進化を記述する追加のルールセットが必要です。しかし、この上位レベルのルール自体も進化する必要があります。こうして、無限の階層構造になってしまいます」と述べています。

アリゾナ州立大学の物理学者ポール・デイヴィス氏も、生物進化は「それ自身の拡張された可能性空間を生み出し、それは以前の状態からいかなる決定論的プロセスによっても確実に予測したり捉えたりできない。つまり、生命は部分的に未知の世界へと進化しているのだ」という見解に同意している。

数学的に「位相空間」とは、物理システムのあらゆる可能な構成を記述する方法であり、それが理想的な振り子のように比較的単純なものから、地球を構成するすべての原子のように複雑なものまで、多岐にわたります。デイヴィスと彼の同僚は最近、拡張可能な位相空間における発展は、数学者クルト・ゲーデルが考案した「不完全性定理」と形式的に同等である可能性を示唆しました。ゲーデルは、数学におけるあらゆる公理系は、真偽を証明できない命題を定式化することを許容することを示しました。そのような命題は、新たな公理を追加することによってのみ決定できます。

デイヴィスらは、ゲーデルの定理と同様に、生物進化をオープンエンドなものにし、自己完結的で包括的な位相空間で表現できない主な要因は、それが自己言及的であることだと述べています。つまり、空間に新たな主体が出現すると、既存の主体にフィードバックがかかり、新たな行動の可能性が生み出されるのです。これは物理システムには当てはまりません。たとえ銀河系に数百万もの星が存在したとしても、物理システムは自己言及的ではないのです。

「複雑性の増大は、より単純な生物には不可能な新たな戦略を発見する可能性を将来的に提供する」と、シドニー大学の植物発生生物学者で不完全性に関する論文の共著者であるマーカス・ハイスラー氏は述べた。生物進化と計算不可能性の問題とのこの関連性は、「生命をこれほどまでに魔法のようなものにしている核心に迫る」とデイヴィス氏は述べた。

では、自己言及によって生み出されるオープンエンド性を持つという点で、生物学は進化のプロセスの中で特別なのだろうか？ヘイゼン氏は、複雑な認知が加わり、システムの構成要素が「頭の中で」推論し、選択し、実験を実行できるようになると、マクロとミクロのフィードバックとオープンエンドな成長の可能性はさらに高まると考えている。「テクノロジーの応用は、私たちをダーウィン主義の遥か先へと導きます」と彼は述べた。時計職人が盲目でなければ、時計はより速く作られる。

ベンチに戻る

もしヘイゼンらが、いかなる種類の淘汰を伴う進化も必然的に機能情報、つまり複雑性を増加させるという主張が正しいとすれば、これは生命そのもの、そしておそらく意識や高次の知能が宇宙において必然的に存在することを意味するのだろうか？これは、一部の生物学者の考えとは相容れない。著名な進化生物学者エルンスト・マイヤーは、人間のような知能の出現は「全くあり得ない」ため、地球外知能の探査は絶望的だと考えていた。結局のところ、文化や文明につながるレベルの知能がダーウィンの進化論において適応的にそれほど有用であるならば、なぜ生命の樹全体で一度しか出現しなかったのだろうか、と彼は言う。

マイヤーの進化論的論点は、人間のような複雑さと知性へと飛躍的に進化した時点で消滅する可能性があり、そうなれば競争の場全体が完全に変容する。人類は（良くも悪くも）あまりにも急速に惑星支配を達成したため、それがいつ再び起こるかという疑問はもはや意味をなさなくなる。

しかし、そもそもそのような飛躍が起こる可能性はどれほどあるのだろうか？もし新たな「機能情報量増大の法則」が正しければ、生命は誕生した暁には、飛躍的に複雑化していくはずだ。あり得ない偶然の出来事に頼る必要はないのだ。

さらに、このような複雑性の増大は、自然界における新たな因果律の出現を示唆しているように思われる。これらの法則は、最小の構成要素を支配する物理法則と矛盾するわけではないものの、事実上、それらの法則に取って代わり、次に何が起こるかを決定する。おそらく、これは生物学において既に見られる現象である。ガリレオがピサの斜塔から二つの質量を落とすという（真偽不明の）実験は、質量が砲弾ではなく生きた鳥である場合、もはや予測力を持たない。

アリゾナ州立大学のサラ・ウォーカーは、グラスゴー大学の化学者リー・クローニンと共同で、複雑性がどのように生じるかを記述するための新たな考え方、「アセンブリ理論」を考案しました。アセンブリ理論では、機能情報の代わりに、アセンブリインデックスと呼ばれる数値を用います。これは、構成要素から物体を組み立てるのに必要な最小限のステップ数を表します。

「生体システムの法則は、現在の物理学の法則とは多少異なるはずです」とウォーカー氏は述べた。「しかし、だからといって法則が存在しないわけではありません」。しかし、彼女は機能情報に関するこの仮説上の法則が実験室で厳密に検証できるかどうか疑問視している。「客観的に検証する方法がないので、（理論が）正しいか間違っているかをどのように判断できるのか、私にはわかりません」と彼女は言った。「実験では何を調べるのでしょうか？どのように制御するのでしょうか？ぜひとも実例を見て​​みたいのですが、この分野で何らかの計測学が確立されるまでは、懐疑的です」

ヘイゼン氏は、ほとんどの物理的物体については、原理的にさえ機能情報を計算することは不可能であることを認めている。単一の生きた細胞でさえ、それを定量化する方法はないと認めている。しかし、概念的には理解でき、おおよその定量的な感覚を得ることは可能なため、これは問題ではないと彼は主張する。同様に、小惑星帯の正確な動きは、重力の問題が複雑すぎるため計算できないが、宇宙船がそこを通過するのに十分な程度には、おおよその記述は可能だ。

ウォン氏は、このアイデアが宇宙生物学に応用できる可能性を見出している。地球上の生物の興味深い点の一つは、基本的な成分から判断して作れる有機分子の種類よりもはるかに少ない数の分子しか作らない傾向があることだ。これは、自然淘汰によって好ましい化合物が選ばれているためだ。例えば、生細胞には、分子が単にランダムに、あるいは熱力学的安定性に従って作られているとすれば、予想されるよりもはるかに多くのグルコースが含まれている。したがって、他の惑星における生命体の特徴の一つとして、化学熱力学や運動学だけでは生み出せないような選択の兆候が考えられる。（集合理論も同様に、複雑性に基づくバイオシグネチャーを予測している。）

これらのアイデアを検証する方法は他にもあるかもしれない。ウォン氏は、鉱物の進化についてはまだ研究すべきことが多く、元素合成や計算による「人工生命」について研究したいと述べた。ヘイゼン氏も、腫瘍学、土壌科学、言語進化への応用の可能性を見出している。例えば、フランスのモンペリエ大学の進化生物学者フレデリック・トーマス氏らは、腫瘍内で癌細胞が時間とともに変化する過程を支配する選​​択原理は、適応度を基準とするダーウィンの進化論とは異なり、ヘイゼン氏らの機能選択という考え方に近いと主張している。

ヘイゼン氏のチームは、経済学者から神経科学者まで、このアプローチが役立つかどうかを熱心に探る研究者からの問い合わせに対応している。「人々が私たちに相談に来るのは、自分たちのシステムを説明するモデルを必死に探しているからです」とヘイゼン氏は述べた。

しかし、機能情報がこれらの問いを考えるための適切なツールとなるかどうかはさておき、多くの研究者が複雑性、情報、進化（生物進化と宇宙進化の両方）、機能と目的、そして時間の方向性といった類似した問いに収束しつつあるようだ。何か大きなことが起こっているのではないかと疑わずにはいられない。機械の仕組みに関する些細な疑問から始まり、最終的に時間の矢、生物の特異性、そして宇宙の運命にまで言及するに至った熱力学の黎明期を彷彿とさせるものがある。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。