本動画は、生命が人類の科学的発見よりもはるかに昔から量子力学の法則を巧みに利用してきた可能性を探るドキュメンタリーである。光合成における驚異的なエネルギー伝達効率、渡り鳥が持つ地磁気を感知する量子コンパス、酵素反応における量子トンネル効果、そして嗅覚が分子の振動を感知するメカニズムに至るまで、生物学と量子力学が交差する「量子生物学」の最前線を解説している。さらに、人間の意識や進化そのものにも量子力学が深く関与しているという仮説に踏み込み、生命と物理法則の根源的なつながりを解き明かしていく。
生命と量子力学の出会い
物理学には、粒子が同時に2つの場所に存在できるという法則があります。古典的な測定では絶対に不可能とされるような壁を通り抜けることができるのです。また、2つの粒子が強くもつれ合い、どれほど離れていても、一方に触れると即座にもう一方に影響を与えることがあります。これらは比喩ではありません。宇宙が最も根本的なスケールでどのように機能しているかについての、文書化され再現可能な事実なのです。
20世紀のほとんどの期間、物理学者はこれらのルールが極小の世界、つまり超大型加速器の中の電子や、実験室の絶対零度に近い隔離された空間に保たれた原子、あるいは精密な光学機器を跳ね回る光子にのみ適用されると考えていました。生きた細胞の暖かく、湿っていて、混沌とした内部は、量子効果が生き残るにはあまりにもノイズの多い環境だというのが支配的な見方だったのです。熱の揺らぎ、分子の衝突、絶え間なく続く代謝の生化学的な動き。物理学者の推測では、これらすべてが量子コヒーレンスをほぼ瞬時に破壊してしまうと考えられていました。
30億年前の光合成マシン
しかし生命は、それとは異なる仕組みを持っていたことが分かりました。2007年、カリフォルニア大学バークレー校の研究チームが、生物物理学における最も確固たる前提のいくつかを覆す発見を発表したのです。彼らは、緑色硫黄細菌に見られる光捕集タンパク質複合体を研究していました。それは、およそ30億年もの間、その役割を果たし続けてきたタンパク質です。
彼らがその内部で発見したのは、熱のランダム性から予測されるような、古典的で行き当たりばったりの乱雑なエネルギー伝達ではありませんでした。彼らが発見したのは、量子コヒーレンスでした。エネルギーが試行錯誤しながらタンパク質の中をさまようのではなく、複数の経路を同時に探索していることを発見したのです。これは重ね合わせと呼ばれる量子現象です。そして、ほぼ100％に迫る効率で反応中心に到達していました。
想像を絶するほど古く、暖かく湿った生きた細胞。その中で、量子力学が機能していたのです。
この発見に続く疑問は、まだ完全には解明されていません。そしてそれは生物学の枠を超えて広がっています。もし生命が、偶然や周辺的な化学の脚注としてではなく、地球上で最も基本的な代謝プロセスである光からエネルギーを捕獲するという中心的な行為において量子効果を利用できるのだとすれば、それは生命と宇宙の物理法則との関係について何を物語っているのでしょうか。生命が量子力学を発見したのでしょうか、それとも量子力学がある意味で生命を可能にしたのでしょうか。
これらの疑問は、過去20年にわたり、物理学者、生物学者、化学者たちを、現在の科学が理解している限界の境界にある分野へと引き込んできました。
量子生物学という新領域
この分野は量子生物学と呼ばれており、まだ新しいものです。議論の的にもなっています。その発見のいくつかは今でも議論されていますが、生命システムが偶然ではなく機能的と思われる方法で量子力学的な現象を利用しているという中心的な観察は、今や生命の複数の領域にわたる証拠によって裏付けられています。
鳥の渡りから、人間の酵素の化学、そして鼻が匂いの分子構造を感知する方法に至るまで、生命はリチャード・ファインマンが量子電磁力学を説明するのを待ちませんでした。エルヴィン・シュレーディンガーが1926年に波動方程式を発表するのを待つこともありませんでした。どんな物理学者がそのルールを導き出し、証明し、あるいは推測するよりも前から、生命はすでにそれを使っていたのです。
何十億年もの間、肉眼では見えないほど小さな細胞の内部で、進化は量子スケールの実験を行っていました。そしてそれが見つけ出した解決策は、人間の知性が何世紀にもわたる数学と実験物理学を駆使してようやくたどり着いたものと同じだったのです。
この映画は、物理学が生物学に浸透していくという物語ではありません。もっと奇妙で、哲学的に重要な意味を持つものについての物語です。それは、生命と量子の世界が別々の領域ではない可能性についてです。私たちが生物と無生物の間に引いた境界線は、両方に対する不完全な理解に基づいているのかもしれません。そして、亜原子粒子の振る舞いを支配する同じルールが、意識や感覚、そして最初の自己複製分子を最初の海が覆って以来、細胞が自らを維持してきた方法を支配するルールと切り離せないものかもしれないのです。
この映画が終わる頃には、疑問はもはや生命が量子力学を使っているかどうかではなくなるでしょう。それを示す証拠は今や十分に存在します。疑問は、私たちが生命を物理学とは別のものとして考え続けることができるのか、それとも私たちが生命と呼ぶものは、その最も深いレベルにおいて、物理学が自らを維持することを学んだときの姿なのか、ということになるはずです。
ご覧いただいているのは、生命がなぜこのような形で存在するのかに思いを馳せる人々のための空間、Omniです。それぞれの映像は、つながり、混沌、そして発見についての物語です。もし共感していただけたら、コメント欄に考えを残し、チャンネル登録をして、私たちが生命の隠された構造の奥深くへと進む旅にご一緒してください。
究極のエネルギー伝達
2007年にその細菌のタンパク質の内部で何が発見されたのかを理解するためには、まず光合成とは実際に何なのかを理解することが役立ちます。学校の生物の授業で教わるような、太陽の光が葉に当たり糖分が出てくるという単純化されたバージョンではなく、実際の分子プロセスです。これは既知のすべての化学の中で、最も精密に設計された一連の出来事の一つです。
光の光子、つまり電磁エネルギーの単一の粒子が光合成生物にぶつかると、それはアンテナ複合体と呼ばれる構造によって吸収されます。この複合体は、細胞内で正確な幾何学的配置に並べられた色素分子、クロロフィル、カロテノイドの集合体です。光子のエネルギーはこれらの色素分子の1つを励起し、電子をより高いエネルギー状態へと弾き出します。
次に起こることが決定的なステップです。光合成を機能させ、何十年もの間物理学者を悩ませてきたステップです。そのエネルギーの塊を運ぶ励起された電子は、アンテナ複合体から反応中心と呼ばれる構造まで移動しなければなりません。そこでエネルギー貯蔵の実際の化学反応が始まります。
この旅は人間の基準からすれば短いもので、タンパク質の内部を横切る数ナノメートルの距離です。しかし分子スケールでは、それは障害物競走なのです。電子は、目的地に到達する前にそのエネルギーを吸収したり散乱させたりする可能性のある、密集した不規則な分子構造の風景をナビゲートしなければなりません。
20世紀の多くを生物物理学者たちが格闘してきた疑問は、シンプルなものでした。生命はどのようにしてこれをこんなにも効率的に行っているのでしょうか。
古典物理学では、このエネルギー伝達はランダムウォークのように振る舞うと予測されていました。酔っ払いが分子の風景の中を、ある道を試し、次に別の道を試し、その過程で熱や振動によってエネルギーを失いながらよろめき歩くようなものです。しかし、測定結果は常に、光合成のエネルギー伝達がランダムウォークで説明できるよりもはるかに効率的であることを示していました。
緑色硫黄細菌の場合、アンテナ複合体から反応中心へのエネルギー伝達の効率は、特定の条件下で95％からほぼ100％に迫ります。人間が設計したどんな太陽電池も、それを再現することには近づけていません。
グラハム・フレミングのグループによる2007年のバークレーでの研究や、それに続く10年間にわたる数々の研究から導き出された答えは、エネルギーは全く歩き回っていないということでした。それは、古典物理学には類似するものがないことを行っていたのです。
量子の波が導く最適解
量子力学によれば、粒子は観測されるか、あるいは環境との相互作用によって量子状態が崩壊することを強いられるまで、単に1つの位置を占めたり1つの経路を進んだりすることはありません。粒子は重ね合わせ、つまり複数の状態を同時に探索する条件で存在するのです。
バークレーの研究チームが二次元電子分光法と呼ばれる技術を用いて発見したのは、フェナー・マシューズ・オルソン複合体におけるエネルギーダイナミクスの振動する干渉パターンでした。このタンパク質は現在、文献ではFMO複合体と略されています。これらの振動は数百フェムト秒（1フェムト秒は1000兆分の1秒）続き、量子コヒーレンスの特徴を示していました。
エネルギーはある経路を試してから別の経路を試すのではなく、利用可能なすべての経路を同時にサンプリングしていたのです。そしてそうすることで、古典的な拡散では説明できないほどの信頼性で、最も効率的なルートを見つけ出していました。
FMO複合体は、熱水噴出孔の近くの嫌気帯や深い湖の底など、光の少ない環境に生息する緑色硫黄細菌に見られます。これらの細菌は、光子を1つたりとも無駄にする余裕はありません。彼らは約30億年にわたって、光を捕集する機構を洗練させてきました。そして進化がたどり着いたのは、タンパク質に埋め込まれた量子コンピューターでした。それは、人間のエンジニアを1世紀以上にわたって悩ませてきた最適化問題を解決するために、量子状態の重ね合わせを利用する分子デバイスなのです。
2007年の論文に続いた議論は重大なものであり、現在も続いています。一部の物理学者は、観察されたコヒーレンスは積極的に利用される機能的なメカニズムではなく、分子の幾何学的構造による受動的な副産物であると主張しました。また、暖かく湿った細胞環境では、コヒーレンス時間はエネルギー伝達に意味のある影響を与えるには短すぎるだろうと主張する人もいました。
しかし、カリフォルニア大学リバーサイド校のナサニエル・ガボールらを含む研究者による、2020年のNature Chemistry誌のレビューでは、証拠の現状が検証され、光合成における量子コヒーレンスの正確な機能的役割は現在も活発に調査中であるものの、光捕集複合体における量子力学的効果の存在自体はもはや真剣に疑われてはいないと結論づけられています。議論は、量子効果が存在するかどうかから、それが正確にどのように、そしてどの程度、観察された効率に貢献しているのかへとシフトしています。
これが生物学的に驚くべきことである理由は、細菌の枠を超えて広がっている点です。量子コヒーレンス効果はその後、高等植物、海産藻類、そして紅色光合成細菌の光捕集複合体でも観察されています。2007年の最初の調査に参加していたシカゴ大学のグレゴリー・エンゲルのグループによる2017年の研究によれば、植物のアンテナ複合体におけるクロロフィル配列の幾何学的構造は、偶然発生するよりも長くコヒーレンスを維持するように特別に調整されているように見えます。
言い換えれば、分子構造は、まるでその量子力学的な特性のために選ばれたかのように見えます。生命の最も古くからのエネルギー獲得システムの幾何学的構造が、生化学だけでなく、個々の電子のスケールで機能する量子物理学のルールによって形作られたかのように見えるのです。
量子力学を積極的に利用する生命
これは、生命は化学を利用していると言うのとは次元の違う主張です。化学自体は量子力学の結果です。原子軌道の形、化学結合の性質、元素の周期性などはすべて量子力学の原理から導き出されています。しかし、ここで説明されているのは、量子論によって決定された化学への受動的な依存ではありません。
FMO複合体が表しているように見えるのは、通常の化学の領域をはるかに超えて機能する、重ね合わせやコヒーレンスといった量子現象の、能動的で機能的に重要な活用なのです。生命は単に量子力学に支配された宇宙で誕生しただけではありません。このケースにおいて生命は、純粋な古典物理学ではうまく解けない問題を解決するために、量子力学を意図的に活用するメカニズムを進化させてきたように見えるのです。
どんな物理学者が量子重ね合わせの数学を導き出すよりも30億年前に、酸素のない海に住む細菌がすでにそれを利用していました。
この事実が意味するものは、光合成にとどまりません。光合成は、固定されたタンパク質の中で、制御された分子環境において、数十億年の進化を通じて最小限の変化で保存されてきた構造の中で起こります。ある意味では、生体システムの熱ノイズを乗り越えて量子力学が生き残るのを想像するのに、最も容易な場所です。精巧に保存された、密接に組織化された足場だからです。
想像するのがより難しいのは、鳥の目の中のタンパク質の中で量子力学が機能しているということです。周囲の光の下で、変化する温度の中で、長時間の飛行による肉体的な負担の中で機能し、しかも何千キロメートルにも及ぶ外洋や何もない大陸の内部を渡って、動物を毎年数メートルの誤差で同じ目的地へと導くのに十分なほど正確なナビゲーション情報を提供しなければならないのです。
しかし、驚くべきことに、まさにそれが起こっているように見えるのです。
渡り鳥の量子コンパス
毎年秋になると、体重わずか約18グラムの小さなスズメ目の鳥であるヨーロッパコマドリは、ヨーロッパ北部および中部の繁殖地を旅立ち、南ヨーロッパや北アフリカの越冬地へと移動します。彼らはGPSも持たず、外洋の広がりの中で目印もなく、そして多くの場合、星の光も使わずにこれをやってのけます。晴れた空の下では星を使うことができますが、雲に覆われているときは使えないからです。
何十年もの間、鳥類学者は鳥が磁気感覚、つまり地球の磁場の方向と傾斜を検知し、移動中のコンパスとして使う能力を持っていることを知っていました。しかし彼らが理解していなかったのは、その物理的なメカニズムでした。
地表における地球の磁場は非常に弱く、およそ50マイクロテスラです。これは、既知の古典的な生体検出器が確実に感知できる限界をはるかに下回っています。鉄をベースにした磁気受容体も、進化が利用できる生化学的材料から作られた古典的な電磁センサーも、鳥類の磁気ナビゲーションの精度を説明することはできませんでした。
過去30年間にわたって浮上してきた量子力学的な説明は、渡り鳥やその他の幅広い生物の目に見つかる、クリプトクロムと呼ばれるタンパク質のクラスを中心としています。
1978年、当時マックス・プランク生物物理化学研究所にいた物理学者のクラウス・シュルテンは、地球の磁場がラジカル対と呼ばれるものが関与する化学反応に影響を与える可能性があるという理論的枠組みを提案しました。ラジカル対とは、それぞれが不対電子を1つ持つ分子のペアのことです。電子スピンの量子力学的な振る舞い、つまり磁場に対して上向きまたは下向きに配向できる電子の固有の角運動量は、まさに地球の磁場のスケールにおいて、磁場に対して極めて敏感なのです。
シュルテンは、2つのラジカル分子がごく近くで生成されると、それらの電子スピンは相関した量子状態、つまりもつれ状態で始まり、そのスピンが構成間を遷移する速度は、周囲の磁場によって変調されると提案しました。その変調が反応の化学生成物に影響を与え、それらの化学生成物が理論的には、生化学的にコード化された磁場情報を生物に提供することになるというのです。
これは1978年の時点では理論上の提案でした。鳥の目にあるクリプトクロムタンパク質が、まさにこのラジカル対メカニズムによって機能しているという実験的証拠は、その後40年間にわたって着実に蓄積され、2000年代までにはこの分野の主要な仮説となっていました。
2021年にヘンリック・モーリッツェンとトルステン・リッツ、およびオルデンブルク大学の共同研究者たちによってNature誌に発表された研究では、Cry4として知られるクリプトクロム4タンパク質が、渡りの季節のヨーロッパコマドリの目で一貫して高いレベルで発現していることが実証されました。そしてその発現は、他のクリプトクロムのように日照サイクルによって変動しないことから、一般的な概日リズムの機能ではなく、特定の渡りのための機能を提供していることが示唆されました。
同じ研究では、量子化学モデリングを使用して、Cry4が磁気感知に関連する時間スケールでラジカル対のコヒーレンスを維持するために必要な分子構造を備えていることを示しました。
このメカニズムの中心にある量子もつれは、量子コンピューティングや量子暗号の文脈で一般の関心を集めたような長距離のもつれではありません。それは同じタンパク質内の2つの電子間、あるいは密接に関連する分子間で起こる分子内のものですが、厳密な物理的意味での量子もつれなのです。
2つの電子のスピン状態は、古典物理学では説明できない方法で相関しており、それらのスピン状態の変化は磁場環境に依存し、それがタンパク質の生化学に方向情報をコード化するのです。
鳥は自分が量子力学を使っていることは知りません。鳥はおそらく、視界における磁北の方向を示す視覚的オーバーレイのようなもの、もしかすると視界の中の光の強さや色の変化として認識されるようなものを経験しているのでしょう。しかし、分子レベルでのその知覚の物理的な基盤は、量子力学的な現象なのです。
匂いと量子トンネリング
クリプトクロムの物語は、コマドリをはるかに超えて広がっています。クリプトクロムは生物学において最も古く、最も広く保存されているタンパク質の一つです。細菌、植物、昆虫、魚類、哺乳類に見られます。キイロショウジョウバエでは、クリプトクロムが光依存性の磁気感受性を媒介することが示されています。
ニワムシクイにおいて、まさに量子力学のスケールでラジカル対のダイナミクスに干渉する弱い振動高周波磁場によってクリプトクロムベースのコンパスを妨害すると、他の感覚はそのまま維持される一方で、鳥が磁気的に方向を定める能力が失われます。トルステン・リッツと彼の同僚によって実施され、2004年にNature誌に発表されたこの実験は、量子力学的なメカニズムが生物学的な行動に機能的に不可欠であることを直接的に行動で実証した最初のものの一つでした。
このことの哲学的側面は、少し立ち止まって考える価値があります。
渡り鳥は量子力学を理解できる脳を持っていません。計算をしているわけではありません。そのニューロンはシュレーディンガー方程式を解いているわけではありません。それにもかかわらず、その目のタンパク質構造の中には、同等のサイズの古典的な検出器では決して捉えられないほど微弱な磁場の、量子力学的な測定を実行する構造が埋め込まれているのです。
純粋に繁殖適応度に対する選択圧を通じて作用する進化が、量子センサーにたどり着いたのです。進化は量子センサーを作るために量子力学を理解する必要はありませんでした。必要なのは時間と、原材料としての宇宙自体の物理法則だけだったのです。
ラジカル対メカニズムは現在、鳥類だけでなく、魚類の一部、昆虫、そして潜在的には哺乳類を含む幅広い生物の磁気感知に関連するものとして提案されています。ライプニッツ動物園野生動物研究所の共同グループによる2023年の研究では、渡り鳥とそうでない鳥の種の全体にわたるクリプトクロムの発現パターンを調べました。その結果、Cry4の特殊化の程度が渡りの距離と相関していることがわかりました。これは、量子コンパスが存在する場合、ナビゲーションの要求に比例して自然選択によって積極的に洗練されてきたことを示唆しています。
渡りが長ければ長いほど、量子マシンはより正確に調整されているように見えます。生命は量子コンパスを作りました。それを目の中に作り、大陸が現在の位置に落ち着くよりも前からずっと使い続けているのです。
酵素に隠された量子トンネル効果
すべての化学反応にはエネルギー障壁があります。ある分子を別の分子に変換するためには、関与する原子はまず、出発物質や生成物のどちらよりも多くのエネルギーを必要とする遷移状態へと押し上げられなければなりません。このエネルギー要件は活性化エネルギーと呼ばれます。そしてこれが、木が室温で自然発火しない理由であり、鉄が瞬時ではなくゆっくりと錆びる理由であり、生きた細胞内の分子が絶え間なく再配列してカオスにならない理由なのです。
活性化エネルギー障壁は、化学の基本的な組織化原則の一つです。それは反応速度を支配します。ある温度でどの変換が可能かを決定します。古典的な化学の見方では、それは妥協の余地のないものです。
しかし生命は、どうにかしてそれを乗り越えます。
すべての生きた細胞の化学反応を駆動するタンパク質触媒である酵素は、触媒されない速度に比べて最大で10の17乗倍という驚異的な倍率で反応を加速することができます。10の後にゼロが17個続くというその数字は、誤植ではありません。水中で自然に起こるには現在の宇宙の年齢よりも長くかかるような反応が、酵素によってミリ秒で完了できるほどの、極端な加速を表しています。
20世紀のほとんどの間、この触媒力に対する標準的な説明は、酵素が遷移状態を安定させる形作られた分子環境を提供し、そこに到達するためのエネルギーコストを削減することで、活性化エネルギー障壁を下げることによって機能するというものでした。
この説明は正しいものです。しかし同時に、ますます不完全なものにもなっています。
過去30年間に生化学の文献に押し入ってきたもう一つのメカニズムは、量子トンネル効果です。
古典物理学では、障壁を乗り越えるのに十分なエネルギーを持たない粒子は、それを越えることができません。しかし量子力学では、粒子は明確な位置ではなく確率波によって記述されるため、障壁を越えるのに十分なエネルギーがなくても、有限の厚さと高さの障壁の反対側に現れる確率がゼロではないのです。そしてその波は、障壁の中を通り抜け、さらにその先へと広がります。
原子全体のような重い粒子の場合、質量と障壁の厚さが増すにつれて、トンネルの確率はほぼ即座に無視できるほどにまで低下します。しかし軽い粒子、そして化学において最も軽い関連粒子である陽子、さらに軽い電子の場合、酵素の活性部位に見られる典型的な距離を越えるトンネル確率は有意なまま保たれます。
酵素触媒反応における量子トンネル効果の重要な実験的証拠は、当初、速度論的同位体効果の研究から得られました。その論理は単純明快です。もし反応が古典的な手段で進行するなら、水素原子をその2倍の質量を持つ重い同位体である重水素に置き換えると、質量と熱速度の古典的な関係に基づき、予測可能で計算可能な係数分だけ反応が遅くなるはずです。この係数は速度論的同位体効果と呼ばれ、明確に定義された古典的な上限を持っています。
研究者たちが酵素における速度論的同位体効果を測定し始め、その古典的な上限をはるかに超える値、場合によっては一桁大きい値を発見したとき、そこから導き出された意味は、軽い水素原子が熱エネルギーによって障壁を越えるのではなく、エネルギー障壁をトンネルして通り抜けているということでした。そしてトンネル確率は質量とともに急激に低下し、それは古典的な反応速度論では説明できないものでした。
最も広く研究されているケースの一つは、酵母から人間に至るまでの生物において、アルコールのアルデヒドやケトンへの変換を触媒する酵素、アルコール脱水素酵素です。
1980年代に始まり、その後の数十年にわたってカリフォルニア大学バークレー校のジュディス・クリンマンによって行われた画期的な一連の実験では、アルコール脱水素酵素において異常に大きな速度論的同位体効果が測定され、それは陽子と水素化物イオンのトンネル効果を呼び出さなければ説明できないものでした。
クリンマンとナイジェル・スクラットンによる2013年のChemical Reviews誌のレビューでは、複数の酵素システムからの証拠が統合され、水素の量子トンネル効果は酵素化学における珍しい例外ケースではなく、幅広い生体システムにわたる触媒効率への広範で機能的に重要な貢献者であると結論づけられました。
文献ではDHFRとして知られるジヒドロ葉酸還元酵素は、まさに細胞機能にとって極めて重要であるがゆえに、生物学における量子トンネル効果の最も研究されているケースの一つとなっています。DHFRはDNA前駆体の合成に不可欠な反応を触媒し、抗生物質、がん化学療法薬、抗マラリア薬の標的でもあります。
マンチェスター大学のスクラットンのグループとクリンマンのグループによる研究は、DHFRにおけるトンネリングが、タンパク質の特定の立体構造の動きと結合していることを実証しました。酵素は単にトンネリングが起こる静的な足場を提供するのではなく、トンネリングが最も起こりやすくなるまさにその瞬間に、ドナー原子とアクセプター原子の間の距離を縮めるように、そのタンパク質のダイナミクスが調整されているというのです。
言い換えれば、タンパク質は量子的出来事の受動的な容器ではありません。それは量子トンネル効果が起こる条件を能動的にオーケストレーションしているように見えるのです。タンパク質のダイナミクスが量子トンネリングのイベントと機能的に結合しているというこの概念は、現在も活発な研究分野であり、いくつかの議論を呼んでいます。
リーズ大学のグループによる、ヒドリド転移反応を触媒する酵素ペンタエリスリトール四硝酸還元酵素に関する2020年のACS Catalysisの報告では、基質と直接接触しない活性部位から遠く離れた残基の特定の変異が、触媒へのトンネリングの寄与を著しく変化させたという証拠が見つかりました。これは、酵素における量子力学的な効果が純粋に局所的な現象ではなく、タンパク質の全体的な構造に敏感であることを示唆しています。活性部位だけでなく、タンパク質全体が量子力学的な触媒反応をサポートするように進化によって形作られている可能性があるのです。
量子トンネル効果と進化の起源
突然変異と進化を理解する上でのこの意味合いは重大です。もし量子トンネル効果が酵素における水素移動の速度に寄与し、そして酵素が触媒する反応がDNAの複製と修復に関与しているとすれば、トンネリングは自然突然変異そのものの速度に貢献している可能性があります。
DNA塩基対の誤った位置にある陽子は、互変異性シフト、つまり水素結合パターンの変化を引き起こす可能性があります。これが複製前に修正されない場合、永久的な突然変異をもたらします。1963年、物理学者のパー・オロフ・レフディンは、DNA塩基対における水素結合を横切る陽子のトンネル効果が、自然突然変異の発生源となる可能性があると提案しました。
この提案は数十年の間、大部分が理論的なものでした。サリー大学とユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの共同グループによる、2022年のNature Communicationsに発表された計算研究では、量子力学的なシミュレーションを使用して、アデニン・チミン塩基対における陽子トンネリングが生理学的条件下で測定可能な頻度で互変異性状態を生成するのに十分な高い確率で発生することを示し、レフディンの半世紀前の仮説を現代の量子化学モデリングで裏付けました。
量子トンネリングが突然変異率に影響を与えるという可能性は、量子生物学を進化そのものに結びつけます。それは個々の生物を維持する代謝機構だけでなく、生命が何世代にもわたってバリエーションを生み出し、適応していくメカニズムにも結びつくのです。
もし進化の変化の最も深いエンジンに量子力学的な要素があるとすれば、地球上の生命の歴史は部分的には量子力学的な歴史だということになります。あらゆる適応、あらゆる種分化イベント、化石記録におけるあらゆる絶滅と適応放散は、細胞の暗い内部でフェムト秒単位の時間スケールでエネルギー障壁をトンネルする陽子の基盤の上に成り立っているのかもしれません。それは、すでに何十億年もの間その方程式を使っていた生物学的なメカニズムについての知識を一切持たないまま、物理学者が1920年代に導き出したのと同じ方程式に支配されているのです。
酵素は物理法則を克服しているわけではありません。酵素は物理法則を完全に、そして人間の化学がいかなる人工システムにおいても再現できたものを超え続ける精度のレベルで利用しているのです。
匂いの正体は分子の振動か
すべての感覚の中で、嗅覚は最も長く解明を拒んできたものです。視覚の分子レベルでの理解は1960年代にまで遡ります。ハーバード大学のジョージ・ウォルドが、光の光子が受容体タンパク質の立体構造の変化を引き起こし、脳が見ると解釈する信号のカスケードを開始する正確な量子力学的イベントである、レチナールの光異性化を記述したときです。
聴覚は機械的なプロセスとして理解されています。蝸牛にある有毛細胞が曲がることで、圧力波が電気信号に変換されるのです。触覚と味覚も複雑ではありますが、受容体結合とイオンチャネルの活性化という認識可能なパターンに従っています。
嗅覚も同じように機能するはずだと考えられていました。匂い分子の形が対応する受容体タンパク質に鍵と鍵穴のように適合し、信号の引き金を引いて知覚を生み出すというモデルです。20世紀のほとんどの間、正式にはオドトープ理論として知られるこの形状ベースのモデルがコンセンサスでした。
問題は、それがデータを完全に説明できていないことです。ほぼ同じ形をした分子でも、まったく違う匂いがすることがあります。一方で、まったく違う形をした分子でも、ほぼ同じ匂いがすることがあるのです。分子の幾何学的構造と嗅覚との関係には例外が多すぎるため、鍵と鍵穴モデルは基本的なアウトラインとしては間違っていないものの、何かが欠けているように見えます。
1996年、当時ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンにいた生物物理学者のルカ・トゥリンが、その欠けている要素が何であるかを提案しました。トゥリンの提案は、匂い分子の形についてではありませんでした。彼はその振動に注目したのです。
すべての分子は振動しています。分子内の原子間の結合は硬直したつながりではなく、ダイナミックな振動です。そして、分子が振動する特定の周波数は、その原子の質量と結合の強さによって決まります。これらの振動周波数は、指紋のようにその分子に固有のものです。これこそが、化学実験室で赤外分光法が化合物を特定する際に測定しているものです。
1996年にChemical Senses誌に発表されたトゥリンの仮説は、鼻の中の嗅覚受容体は単に匂い分子の形を検知するだけでなく、その振動周波数を検知していると提案しました。そして、彼らがこれを行う物理的なメカニズムは、非弾性電子トンネル効果と呼ばれる量子力学的なプロセスだと彼は主張しました。これは、近くの分子が適切な周波数で振動してエネルギーの差を吸収したときにのみ、電子が2つの分子部位の間のギャップを越えてトンネルするというものです。
トゥリンが説明したメカニズムは、非弾性電子トンネル分光器と呼ばれる実験装置で使われているのと同じ物理的プロセスです。この装置は、電子がギャップを越えてトンネルするのを許可または阻止する振動周波数を測定することで、分子化合物を特定できます。
トゥリンの主張は、鼻の嗅覚受容体タンパク質は事実上、生物学的な非弾性電子トンネル分光器であるということでした。それらは、電子がタンパク質のギャップを越えてトンネルできるかどうかを分子の振動モードが許可するかブロックするかを監視することで、匂い分子の振動スペクトルを測定しているというのです。
この説明によれば、鼻は一種の分子分光法を実行しており、匂いの知覚とは、鼻腔の粘膜で行われた量子力学的な測定結果を脳が解釈したものだということになります。
この仮説から導き出される予測は、具体的でテスト可能なものでした。もし匂いが分子の形ではなく振動周波数に基づいているなら、同じ振動周波数を持ちながら異なる形をした2つの分子は同じ匂いがするはずです。そして、異なる振動周波数を持ちながら似た形をした2つの分子は異なる匂いがするはずです。
トゥリンは同位体において特にクリーンなテストケースを特定しました。分子内の水素原子を重水素に置き換えると、分子の形や化学的反応性を大きく変えることなく、分子の質量が変わります。重水素は通常の水素の2倍の重さがあるため、置換することで分子内の炭素-水素結合の振動周波数がより低い周波数へとシフトします。これは標準的な分光法で検出可能なシフトです。
もしオドトープ理論が正しければ、同じ分子の重水素化されたバージョンと重水素化されていないバージョンは同じ匂いがするはずです。もし振動理論が正しければ、それらは違う匂いがするはずです。
この問題に対する実験結果は物議を醸すものであり、非常に興味深いものでした。ギリシャのアレクサンダー・フレミング生物医学科学研究センターの研究者を含むグループによる2013年の研究では、脊椎動物よりも嗅覚システムが単純で実験的にアクセスしやすいキイロショウジョウバエが、行動アッセイにおいて通常のアセトフェノンと重水素化アセトフェノンを確実に区別できることを実証しました。
この2つの化合物は、水素の同位体含有量とそれに伴う振動のシフトを除けば化学的にも構造的にも同一であるにもかかわらず、ハエは形状ベースのモデルでは存在するはずのない違いを検出していたのです。同じグループによる2015年の追跡研究では、さまざまな重水素化化合物を使用して結果を確認し、その識別が他の感覚モダリティの結果ではなく、嗅覚によるものであることを実証しました。
人間の被験者の場合、結果はもっと複雑です。ロックフェラー大学のアンドレアス・ケラーとレスリー・ヴォスホールが2011年に行った、人間の参加者が重水素化されたムスク化合物と重水素化されていないムスク化合物を区別できるかどうかをテストした研究では、嗅覚の一貫した違いは見られませんでした。この結果は、振動理論に反する証拠として広く引用されています。
トゥリンと彼の同僚たちはその後、ヴォスホールの研究で選ばれた特定の化合物は、その関連する振動モードが嗅覚受容体における電子トンネル効果に最も関連するエネルギー範囲外にあったため、振動仮説の理想的なテストケースではなかったと反論しました。議論はまだ解決していません。
PLOS Computational Biology誌における2024年の計算レビューでは、受容体タンパク質の幾何学的構造の最新モデルを使用して、嗅覚受容体における非弾性電子トンネル効果の理論的妥当性を検証しました。その結果、いくつかの嗅覚受容体の電子構造は非弾性トンネリングの要件と一致していることがわかりましたが、生物学的な根拠に基づいて仮説を完全に確認したり排除したりすることはできませんでした。
議論の余地がないのは、振動理論が、無脊椎動物のシステムにおける実験的サポートを持つ、物理的に整合性のある提案であるということです。そしてそれは、従来の感覚生物学のモデルが完全には組み込んでこなかった可能性を示しています。動物界で最も古く、最も進化的に保存された感覚の一つである嗅覚の知覚には、その物理的基盤に量子力学的な測定が関与している可能性があるのです。
このことのより広い意義は、匂いという枠を超えて広がっています。もし嗅覚が量子トンネル効果によって機能しているなら、感覚的な経験そのもの、つまり世界を知覚するという生々しい現象学には、量子力学的な基盤があることになります。乾いた土に降る雨の匂い、刈り取られた草の匂い、場所や人の特定の分子のサインの匂いは、その最も深い物理的レベルにおいて、鼻の粘膜で起きている量子的出来事の記録だということになるのです。
知覚は、単に量子力学に支配された宇宙の中で行われるのではありません。進化が何億年にもわたって形作ってきたタンパク質によって実行される量子力学的な測定から、瞬間瞬間に構築されているものなのです。それらのタンパク質は、自分たちが何をしているのか、あるいはそれが将来、理解しようとすることにどんな意味を持つことになるのか、いっさいの知識を持たずにそれをやってきたのです。
光合成は量子コヒーレンスを収穫します。ナビゲーションは量子もつれを利用します。酵素は古典的な障壁をトンネルし、そして今や最も古い化学感覚である嗅覚が、分子の世界の量子的な指紋を直接読み取っているのかもしれません。
意識のハードプロブレムと量子力学
このパターンは、最も基本的な生物学的プロセス全体にわたって、もはや単なる偶然として片付けるのが難しくなってきています。エネルギー、方向付け、触媒作用、知覚において、量子力学的な効果は時折現れる好奇心の対象としてではなく、古典物理学ではそれほど効率的に解決できない問題に対する繰り返し現れる解決策として現れているのです。
生命はこれらの解決策にランダムにたどり着いたのではありません。進化はランダムなプロセスではありません。ランダムな変異を通じて機能するとはいえ、それは選択のプロセスであり、何十億年にもわたって、生物学的な問題に対する量子力学的な解決策を繰り返し選択してきたのです。
このパターンが提起する疑問は、単なる科学的なものではありません。それは哲学的なものであり、この映画が最初から構築してきた問いでもあります。もし量子力学が生命にとって付随的なものではなく、不可欠なものだとしたら、生物学がこれまで直面してきた中で最も古く、最も難しい疑問、つまり生命とは正確には何なのかという問いについて、何を意味しているのでしょうか。
1994年、哲学者のデイヴィッド・チャーマーズは、アリゾナ州ツーソンで開催された意識に関する会議で聴衆の前に立ち、未だに解決されていない区別を描き出しました。彼は、意識のイージー・プロブレムとハード・プロブレムを分けました。
イージー・プロブレムとは、メカニズムの問題です。彼は、それらのどれも本当に簡単なわけではないため、このラベルは誤解を招くものだと認めていましたが。脳がどのように感覚情報を処理し、異なる領域からの信号をどのように統合し、どのように集中した注意と向けられた行動を生み出し、どのように記憶を保存して検索するのか。これらは難しい科学的疑問ですが、原則として神経科学の標準的な方法で解決できる疑問です。十分な時間と十分なデータがあれば、神経活動の十分に詳細なマップがそれらを説明できるはずです。
しかし、ハード・プロブレムは種類が違います。それは、なぜそのような神経処理のすべてに主観的な経験が伴うのかという疑問です。なぜ、赤色を見たり、短調の和音を聴いたり、難しい会話の前に不安という特有の質感を感じるということがあるのでしょうか。なぜ、ニューロンの電気化学的活動は、理論的には何の伴う認識もなしに暗闇の中で進行できるはずなのに、内面的な生活を生み出すのでしょうか。
なぜ物理的プロセスが経験を生み出すのかというこの疑問は、メカニズムを知ることでは解決されません。脳の完全な配線図を手に入れたとしても、なぜその配線図が何もないことではなく意識と関連しているのかについての説明にはならないのです。
このギャップを埋める可能性のある答えとして量子力学が提案されてきました。最も野心的で、最も物議を醸しているのは、数学者のロジャー・ペンローズと麻酔科医のスチュアート・ハメロフによるものです。
ペンローズの1989年の著書『皇帝の新しい心』と1994年の続編『心の影』を通じて展開され、1990年代から2000年代にかけてハメロフと共同で拡張された彼らの仮説は、Orchestrated Objective Reduction、略してOrch ORと呼ばれています。これは心の科学において最も議論されている提案の一つであり、その理由を理解するにはその基礎から論理をたどる必要があります。
ペンローズの出発点は生物学ではなく数学でした。彼はゲーデルの不完全性定理を引用し、人間の数学的理解はどんな形式的なアルゴリズムシステムによっても完全には捉えられないと主張しました。数学者は、古典的なコンピューターで実行されるどんなアルゴリズムでも形式システム内では証明できないような命題の真実を認識できるというのです。もしこれが正しければ、脳が数学を行っているときにしていることは何であれ、古典的なアルゴリズムを実行しているのではないことを意味します。
ペンローズは、意識は計算不可能な物理的プロセスを伴わなければならないと結論づけました。そして彼は、純粋にアルゴリズム的ではないプロセスを含む既知の物理学は、量子力学だけだと提案しました。具体的には、量子波動関数の収縮、つまり重ね合わせの状態にある量子系が明確な状態に解決する瞬間のことです。
ハメロフの貢献は、この量子プロセスの候補となる生物学的基盤を特定したことでした。彼は、ニューロンを含む細胞の構造的足場を形成するタンパク質ポリマーである微小管を、脳内の量子計算の可能な場所として指摘しました。
微小管は、チューブリンと呼ばれるタンパク質から組み立てられた中空の円柱状の構造です。ハメロフの主張では、それぞれのチューブリンサブユニットはわずかに異なる2つの立体構造状態をとることができ、その特性が微小管格子のネットワーク全体にわたる大規模なチューブリン分子の配列にわたって量子重ね合わせをサポートできるというのです。
Orch ORの枠組みでは、ニューロン内の微小管ネットワークに蓄積された量子重ね合わせは、ある影響を受けます。それは、ペンローズが自身の量子重力の解釈から導き出したメカニズムを通じて、プランクスケールでの時空の大規模な幾何学的構造から影響を受け、そして純粋にランダムでも決定論的でもなく、客観的な物理的基準に支配された方法で収縮するというものです。この収縮こそが、意識の瞬間の物理的な相関物であると、ペンローズとハメロフは提案しました。
この仮説は持続的で深刻な批判を集めてきました。MITのマックス・テグマークを含む物理学者たちから即座に提起された反論は、脳の熱環境を考慮すると、時間スケールの観点から微小管における量子コヒーレンスは信じがたいというものでした。
テグマークは2000年にPhysical Review Eに計算を発表し、微小管における量子重ね合わせは、熱ノイズによっておよそ10のマイナス13乗秒という、体温での神経処理に関連する時間スケールよりも13桁も速くデコヒーレンスしてしまうと推定しました。ニューロン内部の分子相互作用の密度において、認知に影響を与えるのに十分な長さの量子コヒーレンスを維持することは、この分析では物理的に支持できないように見えました。
ハメロフや他の研究者たちは、この批判にいくつかのアプローチで答えてきました。第一に、テグマークが適用した計算は、溶液中の隔離された微小管に関する仮定から導き出されたものであり、生きているニューロンの細胞骨格構造に埋め込まれた微小管という生物学的に現実的な環境を反映していないと指摘しました。その現実的な環境には、結合タンパク質、秩序立った水層、そして集団的にデコヒーレンスの時間スケールを変える可能性のある膜との相互作用が含まれています。
第二に、そして量子生物学全体という文脈においてより重要なことですが、この映画の前半でレビューした証拠を指摘しました。暖かく湿った細胞環境にある生命システムは、熱デコヒーレンスの議論が当初不可能だと予測していた方法で、実際に量子コヒーレンスを維持しているという事実です。
細菌のFMO複合体も2007年以前は同様の理由で否定されていました。クリプトクロムのラジカル対メカニズムも、行動学的な証拠が蓄積されるまでは生体組織では信じがたいと考えられていました。量子生物学が一貫して教えてくれた教訓は、細胞は受動的な熱浴ではなく、まだ完全には理解されていない方法で、素朴な物理的推計が予測する以上に量子コヒーレンスの寿命を延ばすことができる、構造化され動的に組織化された環境であるということです。
このことは、Orch OR仮説を確認するものではありません。仮説はまだ推測の域を出ず、ペンローズが提案した特定のメカニズム、つまり量子重力によって支配される客観的収縮には実験的裏付けがなく、物理学者の間でもその物理的基礎についてのコンセンサスはありません。ハメロフとペンローズが物理学、神経科学、哲学の研究者からの33の批判に答えたPhysics of Life Reviewsの2014年のレビューは、この理論が直面している反論の幅広さと深さを示しています。
多くの神経科学者は、Orch ORの枠組みが意識のハードプロブレムという哲学的な問題を、それ自体に正当性を欠く物理的メカニズムで解決しようとしており、ある謎を別の謎にすり替えているだけだとみなしています。
しかし2022年、アルバータ大学のジャック・ツシンスキーやセントラルフロリダ大学のアリスティド・ダグーを含むチームによってCommunications Physicsに発表された研究では、これまでの実験で調べられてきたものより生理学的温度に近い条件で、微小管構造において量子コヒーレントなエネルギー移動が起こるという実験的証拠が報告されました。
この研究はOrch ORを確認したわけではなく、著者たちも観察された量子効果が必ずしも意識に関連しているわけではないと慎重に述べています。しかし、FMO複合体やクリプトクロムタンパク質と同様に、微小管が単なる受動的な古典的構造ではないことを実証しました。その幾何学的な構造は、古典物理学だけでは予測できないようなスケールと温度で、量子力学的な振る舞いを維持しているように見えるのです。
これが意識にとって何を意味するかについては、純粋に開かれた問題として残っています。ハードプロブレムは解決されていません。ペンローズとハメロフの仮説の細部は最終的には間違っているかもしれません。特に量子重力の要素は、神経科学や物理学の現在の実験が届く範囲を大きく外れています。
しかし、この仮説が提起するより広範な疑問は、証拠によって退けられたわけではありません。その疑問とは、エネルギー伝達やナビゲーション、触媒作用や嗅覚と同じように、意識もまた、古典物理学では完全に説明できない問題に対して、進化が量子力学的な解決策を見出したもう一つの領域ではないか、ということです。
経験の主観的な次元、つまり生きている生物であることにはどういう感じかという何かがあるという事実は、単に十分な神経の複雑さから生じる創発的特性なのではなく、まだ定式化されていない何らかの方法で、物理的世界そのものの量子力学的な構造とつながっているのではないか、ということです。
これはまだ答えのある疑問ではありません。言えることは、それがもはや明らかに理不尽な話ではなくなったということです。
20年前には単一の生物システムにおける量子効果を説得力を持って示すことができなかった分野が、今や光合成における量子コヒーレンス、嗅覚とナビゲーションにおけるラジカル対のダイナミクス、酵素触媒におけるトンネル効果の実験的裏付けを持ち、微小管構造における量子的な振る舞いの予備的な証拠すら持っているのです。量子力学が機能的な役割を果たしていると思われる生体系の範囲は、研究の10年ごとに着実に拡大してきました。
その拡大が意識の手前で止まるのか、それとも最終的には生物の内面生活までも包含するのかは、科学が自信を持って答えられる状況にはまだ至っていません。証拠が立証したのは、脳が化学的なハードウェア上で走る古典的なコンピューターではないということです。それは、量子力学と古典生物学が互いに溶け合うスケールの交差点で機能する、驚異的な複雑さを持った暖かく生きているシステムなのです。
その交差点で正確に何が起こっているのか。そしてそこで起こっていることが、経験や認識、つまり宇宙がこれらの疑問を発することのできる心を含んでいるという事実に関連しているのかどうかは、科学における最も深く開かれた問題のままです。
生命は物理学そのもの
この物語には、一連の驚くべき発見として提示される側面があります。量子コヒーレンスを利用する細菌。量子コンパスを持つ鳥。エネルギー障壁をトンネルする酵素。分子の振動を読み取るかもしれない受容体。古典的な議論では不可能だと言われていた温度で量子的な振る舞いを維持する足場を持つニューロン。
それぞれの発見は、それ自体が驚くべきものです。しかし、それらが合わさると、驚くべき発見の単なるコレクション以上のものになります。それらが合わさることで一つのパターンを構成しており、そのパターンは解釈を必要としています。
標準的な科学的解釈であり、それは慎重な解釈ですが、量子生物学はさまざまな生物学的プロセスへの本物の量子力学的な寄与を特定してきた新興のサブ分野であり、さらなる研究が最終的に、どの効果が機能的に重要で、どの効果がエピフェノメナル、つまり存在はするが因果関係としては重要ではない副現象であるかを明らかにするだろうというものです。
これは妥当な立場です。科学は限定された主張を積み重ねることで進歩しますし、証拠を超えて行き過ぎた分野の歴史を見れば、慎重になるのも無理はありません。量子生物学にも、論争の的となっている発見、再現されていない結果、そしてよりクリーンな実験を生き残れないかもしれない理論的な提案がたくさんあります。
しかし、パターン自体には議論の余地がありません。光合成、磁気受容、酵素触媒、嗅覚。この4つのドメインは、いかなる生物学的機能においても考えられる限り互いに異なっていますが、同じ物理現象が繰り返されています。生命は、その最も基本的な動作において、物理学の古典的な階層にとどまっていないのです。
生命は量子的な階層に手を伸ばしており、多細胞生物が存在するよりも長く、複雑な神経系が化石記録に現れるよりも長く、最初の陸上植物が大陸に定着するよりも長く、それをやり続けてきました。電子、陽子、そしてスピン状態の量子力学的な振る舞いは、最近の適応や、ほんの一握りの風変わりな生物が使う特殊なトリックではありません。それは生命そのものの代謝基盤に織り込まれているのです。
このことが提起する疑問は、その最も深いレベルにおいては、生物学に関する疑問ではありません。それは生命と物理学の関係についての疑問です。生命とは、物理的な宇宙の上に座り、エンジニアが鉄とコンクリートを使うようにその法則を原材料として使う構造物なのでしょうか。それとも生命とは、物理的な宇宙が、その最も深遠な組織化原理に十分な時間と十分な化学的複雑さを与えられて反復されたときに行うことなのでしょうか。
これらは同じ疑問ではありません。前者の見方は、生命を物理学の上にある一種のオーバーレイとして扱います。洗練されており、間違いなく驚異的ですが、根本的なレベルで物理学の原理と連続しているというよりは、最終的には物理的な材料から構築されたものだという見方です。
後者の見方は、別の何かを示唆しています。物質の量子力学的な構造は、単に生命がその上に構築される基盤ではなく、生命が能動的に表現する物理的現実の次元だというのです。私たちが生体システムと呼んでいるものは、ある意味で、宇宙の量子力学的な組織化が、局所的、一時的、そして並外れてコヒーレントなものになっている姿なのかもしれないのです。
エルヴィン・シュレーディンガーは1944年、ダブリン高等研究所にいた時に書いた短い著書『生命とは何か』の中で、この疑問の別バージョンを投げかけました。シュレーディンガーは物理学者として生物学にアプローチし、生物は、無秩序に向かうという物理システムの一般的な熱力学的傾向に違反しているかのように見える、安定し、自己永続的で、遺伝可能な秩序を示していることに注目しました。
彼は、この秩序は彼が負のエントロピーと呼ぶもの、つまり生きている物質のあり得ないような組織化を維持するために、環境から低エントロピーのエネルギーを継続的に引き出すことによって維持されていると提案しました。彼はまた、純粋に物理的な根拠に基づき、遺伝情報の分子的なキャリアは、彼が非周期性結晶と呼ぶもの、つまり原子スケールで正確で非反復的な分子の秩序を持つ構造でなければならないと予測しました。
この予測は、ワトソンとクリックによるDNA構造の発見を9年先取りするものでした。シュレーディンガーが1944年に知ることができなかった、そして知り得なかったのは、彼が記述していた秩序ある構造が、単に古典的な分子レベルで組織化されているだけでなく、量子力学的なレベルでも機能しているという度合いの大きさでした。
彼が予測した非周期性結晶は、塩基対の水素結合が陽子トンネリングの対象となる二重らせんでした。彼が生命の熱力学的な特徴として記述した負のエントロピーは、量子重ね合わせを利用してほぼ完璧なエネルギー伝達効率を達成するタンパク質によって、太陽光から集められていることがわかりました。生物と無生物を分ける組織化された化学は、古典的な活性化エネルギー障壁を越えるのではなく、量子力学的なトンネリングを通して陽子と電子を移動させる酵素によって触媒されていたのです。
シュレーディンガーの「生命とは何か？」という問いは、彼がそれを提起してから80年経った今でも完全には答えられていません。しかし、2000年代の最初の量子生物学の実験以来蓄積されてきた証拠は、完全な答えには量子力学的な次元を含める必要があることを示唆しています。
生命は、古典物理学の熱力学的ルールの下で機能する、単なる炭素化合物の化学ではありません。生命は、何十億年にもわたる進化の洗練を通じて、より深いルールを使うことを学んだ化学なのです。波と粒子の境界が溶けるスケールで物質とエネルギーの振る舞いを支配するルール。粒子が同時に複数の状態になれるルール。空間的に離れた2つの電子が相関した運命を共有できるルール。陽子が登れない壁を通り抜けられるルール。
生物の世界は、これらのルールを物理学から学んだわけではありません。物理学が生物の世界から学んだのです。古典的なモデルでは説明できない光合成の収率、古典的なコンパスでは説明できないナビゲーションの精度、古典的な反応速度論では予測できない触媒の加速といった、生物学的な効率性の異常さが研究者たちを量子の領域へと駆り立て、古典生物学が境界を引く場所を間違えていたという認識を強いたという意味において。
生命はすでに問題を解決していました。科学がそれに追いつこうとしていたのです。
この中には、心に留めておくべき価値のある何かがあります。宇宙は約138億歳です。そのほとんどの期間、宇宙には生命は存在せず、最初の数億年は何の化学反応もありませんでした。そして何十億年もの間、星の爆発による冷却された残骸の中で最も単純な化学サイクルがあるだけでした。
地球上の生命は、少なくとも35億年前には化石記録に登場します。現在の西オーストラリアにあるストロマトライトや微生物マットの形です。それらの初期の生物は、核を持たない単細胞で、浅い海で硫黄や光を代謝していました。そして利用可能な最良の証拠によれば、彼らは光子を収穫するためにすでに量子力学的なエネルギー伝達を使用していたのです。地球上のどの細胞にも核が存在する前から、多細胞生物が存在する前から、目や神経系、あるいは世界を表現できる脳が存在する前から、彼らは物理的宇宙の最も深い構造ルールを利用していたのです。
それから30億年後、それらの初期の細胞から進化した生物の一つが、疑問を発するのに十分なほど複雑な神経系を発達させました。その生物が最終的に発した疑問には、光の性質、電子の振る舞い、原子の構造、そして量子の世界の確率論的な数学に関するものが含まれていました。その生物、つまり私たち人間が、最初の動物が海から這い上がる前から生命が継続的に実行してきた量子力学的なプロセスを支配する方程式を導き出すまでに、20世紀までかかりました。方程式が間違っていたわけではありません。遅かったのです。
このことが、私たちが自分自身をどう理解するかについて何を意味するのかは、科学的な結論ではありません。それは哲学的な結論です。そしてそれは、その意味するところを避けられないものにするだけの十分な作業を行ったときに、科学が時折提示する権利を獲得する種類の哲学的な結論なのです。
私たちは、量子力学に支配された宇宙の単なる観察者ではありません。私たち自身が量子力学的なシステムなのです。細菌の光捕集複合体におけるコヒーレンスと、この言葉を読んでいるニューロンの電気化学的活動を維持するコヒーレンスは、それがどんな形をとるにせよ、別々のカテゴリーにある別々のものなどではありません。それらは同じ物理的現実の表現なのです。30億年の進化の洗練によって隔てられた、異なるアーキテクチャにおける異なるスケールで機能しているだけなのです。
生物の世界は、物理的宇宙の単なる乗客ではありません。それは物理的宇宙が、その最も深い組織論理を、それを維持するのに十分な複雑さを持った唯一の媒体を通して表現している姿なのです。
それこそが、私たちが理解する30億年前に生命が見つけ出していたことなのです。トリックでも、近道でもありません。基本的なルール、つまり現実そのものの内側からの実際の構造なのです。
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