物理学者たちが生命の隠れた法則を発見したという最新研究を紹介する動画である。物理法則は生命の成長や動きを決定づけており、これは地球外生命探索にも極めて重要な意味を持つ。小さな生物は粘性と摩擦が支配する世界に、大きな生物は慣性と重力が支配する世界に生きている。最近の研究では、生物の成長速度が自然定数から導出できること、異なるサイズの生物間のスケーリング則が流体力学と弾性体の物理学から説明できること、さらには細胞の寿命が物理的に計算可能であることなどが示されている。物理学者が生物学に介入することには批判もあるが、生物学は今後ますます数学的になり、物理学に近づいていくと考えられる。
物理学が生命を形作る
私の物理学の教授は、物理学を「科学の女王」と呼んでいました。もちろん、彼は正しかったのです。物理学はあらゆるものとあらゆる人に法則を設定します。そしてこれは、物理学が生命をも形作るということを意味しています。
私が言いたいのは、物理学がコーヒーがあなたの口に浮遊して入ってこない理由であるということだけではなく、物理学が生物がどのように成長し、どのように動くかを決定しているということです。
これらの生命の法則は普遍的であり、どの惑星でも成り立ちます。ですから、これらは地球外生命体の探索に非常に関連性が高いのです。そして、まさにこの数ヶ月の間に、これに関する非常に興味深い新しい研究をいくつか目にしてきました。
生命は自らの物理学を選ぶことはできません。流体力学、重力、電気力学、摩擦、材料強度、弾性、粘性、何でも挙げてください。これらはあらゆる生物に、あらゆる場所で、常に適用されるのです。
これらは基本的に宇宙の利用規約のようなもので、受け入れるしかありません。そしてこれらは、生き物のサイズと彼らができることとの間の関係を生み出します。
ハエが天井を這うことができて、私たちにはできない理由は、ハエが特別な技を知っているからではありません。それは単に、ハエが重力の影響をより受けにくく、摩擦と接触力の影響をより受けやすいからなのです。
より一般的に言えば、物理学は小さな生き物が粘性と摩擦が支配する世界に生きていることを意味し、一方で大きな動物は慣性と重力が支配する世界に生きているということです。しかし、それだけではありません。
生物の動きにおける規則性
生物学者たちは、動物の動きにおける多くの規則性を記録してきました。例えば、大きな鳥はより遅く羽ばたくとか、脚の長い動物は歩数が少ないといったことです。しかし、なぜでしょうか。鳥に直接聞いてみましょうか。
いいえ、私たちは物理学者のやり方でやります。方程式から始めて、それらの規則性を導出するのです。
わずか2週間前に発表された論文で、物理学者たちは非常にシンプルな議論を使って、他の惑星の生命について驚くべき予測をしています。彼らは、生物がどのように成長するかを自然定数から直接導出できると言っています。彼らは、すべては化学結合エネルギーと反応速度に帰着し、それは究極的には物理学であると主張しています。
これから彼らは、生物の成長は環境の温度に敏感に依存する一方で、これらの生物がエネルギーを使用する効率は依存しないと結論づけています。もし彼らが正しければ、これは基本的に、より寒い惑星での生命はより遅く進化するが、それでも進化するということを意味します。
ですから、これが他の惑星での生命に対する私たちの期待にどのように関連しているかがお分かりいただけるでしょう。
スケーリング則の統一理論
別の最近の論文はさらに野心的です。その中で、物理学者のグループは植物と動物の両方の種にわたるスケーリング則を調べています。彼らは流体力学と弾性材料の物理学を使って、異なるサイズの類似した形状の生物を比較しています。これらのシンプルな仮定がいくつかの一般的な関係を生み出しています。
1つは、粘性運動と慣性運動を分離するパラメータで、基本的に小さな動物の領域と大きな動物の領域を分離します。もう1つは、体がどれだけ容易に変形するかと、体の部分がどれだけ速く動くかを比較するものです。
これから彼らは、生物が大きくなるにつれて、部分が座屈したりはためいたりしないように剛性が増加するか、または生物がより遅く動かなければならないと結論づけています。
その後、彼らは微生物から爬虫類まで、多くのデータを調べます。例えば、翼の羽ばたきや歩幅の頻度と体重の関係、あるいは泳ぐ速度や飛行速度と長さの関係などです。そして一般的に、彼らは自分たちの非常にシンプルなスケーリング則がよく適合することを発見しています。
これは一種の生命の統一理論なのです。そして今日私が紹介する3番目の論文では、ある物理学者が細胞がどれくらい生きるかを計算できると言っています。
それはすべて、細胞がどれくらいの期間エネルギーを生成できるかにかかっていると彼は言い、それは今度は細胞内の液体がどれだけ純粋かに依存します。
著者が主張するところによれば、これは単純な浸透圧テストで細胞がどれだけうまく機能しているかを測定でき、組織全体の機能的回復力を追跡する単一の数値を得ることができるということを意味します。
はい、それは確かに少し過度に単純化されているように聞こえます。生物学に口を出す物理学者たちは困難な時期を過ごしています。
物理学者と生物学の関係
これは、正直に言えば、しばしば単にナンセンスだからです。生物学は難しく、物理学者たちは複雑なシステムを、彼らの理論が洗練されているが非現実的であるという点まで過度に単純化する傾向があります。
とはいえ、私はこれが重要な研究方向であり、学際的な取り組みが成果を上げるには時間がかかるだけだと思います。
私は、生物学が時間が経つにつれてますます数学的になり、ますます物理学のようになっていくと完全に確信しています。なぜなら、私たちは複雑さを数学的に扱う方法をよりよく理解するようになるからです。
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