すべての生物は物理学の法則に従わなければなりません。 高度に秩序化された細胞や生物は、この原則に反しているように見えますが、実際には熱を発生させて宇宙全体のエントロピーを増大させるので、適合しているのです。
それでも疑問は残ります。 生きている細胞が熱力学的な制約を満たすためにどれくらいの熱を発生させなければならないのか、その理論的な閾値はどの程度なのか。 MITの物理学者Jeremy Englandは、Journal of Chemical Physics誌の最近の論文で、大腸菌の複製を数学的にモデル化し、そのプロセスがほぼ可能な限り効率的であることを発見しました。 大腸菌は、熱力学第二法則の制約を満たすために必要な熱量の、せいぜい6倍程度しか生産していないのです。
「細菌が何でできていて、どれだけ速く成長するかを考えると、周囲に排出しなければならない最小限の熱量はどれくらいになるでしょうか。 物理学の助教授であるイングランドは、「その細菌が実際に排出している熱量と比較すると、両者はほぼ同じ規模になります」と述べています。 「最大効率に比較的近いのです」
生物系をモデル化するためのイングランドのアプローチは、原子や分子のさまざまな配列の確率を計算する統計力学を含んでいます。 彼は、1つの細胞が2つになる細胞分裂という生物学的プロセスに注目しました。 20分の複製プロセスの間に、細菌は大量の食物を消費し、DNAやタンパク質など多くの分子を再編成し、2つの細胞に分裂する。
このプロセスで細菌が生成する必要のある最小限の熱量を計算するために、イングランドは逆のプロセス、つまり2つの細胞が1つになることの熱力学を調査することにしたのだ。 これは非常に起こりにくいことで、おそらく一生起こらないだろう。 しかし、複製中に起こる小さな反応をすべて逆にする確率を集計することで、それが起こる可能性を見積もることができます。
複製中に起こる一般的な反応の1つに、タンパク質の骨格を形成する新しいペプチド結合の形成がある。 この種の反応を自然に逆転させるには、約600年かかるとイングランドは言う。 典型的なバクテリアのペプチド結合の数は約16億個であり、それらの結合をすべて切断するのに必要な熱のワット数は約1000億自然単位である。
「これらの結合がすべて崩壊するのを見るには、本当に長い時間待たなければなりません」とイングランドは言います。
複製が自然に反転するのを観察するのに必要な待ち時間を見積もることによって、イングランドは、細菌が分裂するときに生成する必要がある最小限の熱量は、大腸菌が複製中に実際に生成する量の6分の1より少し多いと算出されました。 この発見は、バクテリアが今よりも劇的に速く成長しても、熱力学の第二法則に従えることを示唆しています。 イングランドによれば、細胞複製は大腸菌が行う必要のある多くの作業の1つに過ぎないため、最も効率的な増殖速度まで進化する可能性は低いとのことです。 しかし、合成生物学への応用には、より速く分裂できる細菌を作り出すことが有効かもしれません。この論文は、それが理論的に可能であることを示しています。
また、この論文は、なぜRNAではなくDNAが遺伝物質の主要な形態として進化したのかについて、いくつかの証拠を示しているかもしれないとイングランドは述べています。 DNAはより耐久性があり、RNAのように簡単に結合が自然に切れることはありません。 つまり、RNAはDNAよりも早く成長し、利用可能な資源を使い切ることができるため、有利な立場にあるのかもしれないのです。 このことは、地球上に生命が誕生する前にRNAが先に進化し、後からDNAが現れたのではないかという、以前提案された仮説を支持するものである。
「核酸に作用していたかもしれないさまざまな種類の選択力をもう少し把握しようとするのに役立つ方法だと思います」とイングランドは言います。
彼は現在、同じ理論的アプローチで、環境の変動に適応する新しい方法を考え出すことによって、自己複製する細胞がどのように進化するのかをモデル化しています。