物理法則が描く生命の輪郭：宇宙の基本定数が語る「生きている」ということ
「生命とは何か」――この問いに対する答えを、私たちは通常、DNAや細胞、進化といった生物学的な視点から探ろうとします。しかし最近、物理学者たちがまったく異なるアプローチでこの根源的な問いに挑んでいます。それは、宇宙を支配する物理学の基本定数から、生命の性質を導き出すという試みです。
宇宙の定数から生命を定義する
ボストン大学のパンカジ・メータとブランダイス大学のジェーン・コンデブによる最新の研究は、物理学の基礎定数を用いて生命の特性を数量的に説明しようとするものです。
彼らの研究によれば、生命は「高忠実度の自己複製を特徴とする非平衡自己組織化物質」と定義されます。簡単に言えば、生命とは環境から自らを分離し続け、正確に自己複製を行う存在だということです。
この定義に基づき、研究者たちは生命の3つの基本的性質を特定しました。第一に「成長収率」――つまり、1ジュールのエネルギーからどれだけのバイオマスを生成できるか。第二に「最小倍加時間」――生物が個体数を2倍にするのに必要な最短時間。そして第三に「休眠時の最小消費電力」――生命が環境との「分離」を維持するために必要なエネルギーです。
驚くべきことに、これらの性質はすべて、プランク定数や光速、電子の質量といった物理学の基礎定数から導き出すことができるのです。たとえば、炭素ベースの生命体の成長収率は、理論値から計算すると約10⁻⁴グラム/ジュールとなり、地球上の生命の実測値とほぼ一致します。バクテリアの倍加時間についても、エネルギーが豊富な環境では数百秒、乏しい環境では数十日から数百年という計算結果が、実際の観測値と見事に符合します。
エントロピーとの終わりなき闘い
生命を物理学的に理解する上で、最も重要な概念の一つが「エントロピー」です。部屋を片付けずに放置するとどんどん散らかっていくように、宇宙のあらゆるものは無秩序な方向へと向かいます。これを熱力学第二法則、つまり「エントロピー増大の法則」と呼びます。
ところが生命は、この法則に逆らうように見えます。生命は整然とした構造を維持し、成長し、秩序を作り出します。シュレーディンガーは名著『生命とは何か』の中で、生命は「負のエントロピーを食べている」と表現しました。つまり、生命は環境から秩序を取り込み、無秩序を外部に排出することで、自らの秩序を保っているというのです。
MIT工学部のジェレミー・イングランドは、この生命の熱力学について画期的な研究を行いました。
イングランドは、細菌が一度の細胞分裂で生み出す熱量の下限値を計算し、自己複製には必然的にエントロピーの生成が伴うことを数学的に示しました。興味深いことに、彼の計算によれば、RNAはDNAよりも熱力学的に自己複製しやすいという結果が得られました。これは、生命の起源において「RNAワールド仮説」――つまり、最初の生命がDNAではなくRNAベースだったという説――を、まったく異なる角度から支持するものです。
古代から存在した「物理学の悪魔」
では、実際の生命体は、どのようにしてエントロピーとの闘いを実現しているのでしょうか。ここで興味深いのが、細胞膜に存在する「ABCトランスポーター」という分子機械です。
19世紀の物理学者マクスウェルは、ある思考実験を提案しました。「マクスウェルの悪魔」と呼ばれるこの架空の存在は、ガス分子の速度を観察し、速い分子と遅い分子を選別することで、熱力学第二法則に逆らうように見える現象を引き起こします。長い間、これは単なる思考実験とされてきました。
ところが最近の研究で、このマクスウェルの悪魔が実際に細胞内で働いていることが明らかになったのです。ABCトランスポーターは、細胞膜を通って特定の物質だけを選択的に輸送します。まさに悪魔が分子を選別するように、この分子機械は細胞の内外を平衡状態にしないよう働き続けます。その動力源はATP――生命のエネルギー通貨と呼ばれる分子です。
驚くべきことに、このABCトランスポーターは、核を持つ真核細胞だけでなく、地球誕生から約10億年後に登場した原核細胞にも存在していました。つまり、生命は誕生の初期段階から、エントロピーに逆らう巧妙な仕組みを持っていたのです。
自己複製する散逸構造
現代の熱力学は、生命を「散逸構造」として捉えています。散逸構造とは、エネルギーの流れによって維持される、平衡状態から遠く離れた秩序ある構造のことです。生命は、環境からエネルギーを取り込み、それを利用して自らの構造を維持し、最終的により多くのエントロピーを外部に放出します。
この視点から見ると、生命とは「自己複製する散逸構造」であり、進化とは、より効率的にエネルギーを消費し、エントロピーを生成する方向への変化だと言えます。生命は熱力学第二法則に違反しているのではなく、むしろそれを巧みに利用しているのです。
宇宙の法則が描く生命の姿
物理学の基礎定数から生命の性質を導き出すこの試みは、私たちに重要な示唆を与えてくれます。生命は特別な「生命力」によって動いているのではなく、宇宙を支配する普遍的な物理法則の範囲内で機能しているということです。
同時に、この研究は地球外生命の探索にも新たな視点をもたらします。もし他の惑星に生命が存在するとすれば、それも同じ物理定数の制約を受けているはずです。生命の形態は異なっても、エネルギー収支や倍加時間、エントロピー生成といった基本的性質には、ある程度の共通性があるかもしれません。
部屋が散らかる、コーヒーが冷める、鉄が錆びる――私たちの身の回りで起こる無秩序への変化と、細胞が分裂し、植物が成長し、生態系が維持されるという生命現象は、実は同じ熱力学の法則によって結びついています。生命とは、宇宙の定数が許す範囲内で、エントロピーの流れを巧みに利用する、驚くべき物理的プロセスなのです。
物理学者たちのこの挑戦は、「生命とは何か」という問いに対する完全な答えをまだ与えてはいません。しかし、宇宙の基本定数という最も根源的なレベルから生命にアプローチすることで、生物学と物理学という二つの世界を結ぶ新しい橋が架けられつつあります。生命という現象は、私たちが想像する以上に、宇宙の基本的な法則と深く結びついているのかもしれません。
参考記事
〇Defining Life With Constants From Physics（2025年9月24日）
〇物理学の悪魔は古代から実在していた！（2024年6月19日）
〇Entropy and life - Wikipedia（2025年9月更新）
〇Physicist Derives Laws of Thermodynamics For Life Itself（2012年9月10日）
〇Self-organization and entropy reduction in a living cell（2013年）