Information-theoretic Limits on Programmatic Specification of Biological Systems
本論文は、情報理論を用いて、生物学的有機体は自身の微視的な組織化を完全に事前指定するための十分な内部情報を欠いていることを示し、ゲノムが決定論的なプログラムではなく、共有された物理的ダイナミクスと環境のランダムネスによってコンパイルされた粗い仕様として機能することを必要とする粗視化の閾値を確立している。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
たった一つの、極めて小さな取扱説明書だけを使って、巨大で自己修復可能な都市を築こうとしている場面を想像してみてください。もしその説明書が十分に詳細であれば、街中のあらゆるレンガ、窓、街灯がどこにあるべきかを、ミリ単位で、すべての建物に対して正確に指示できるのではないかと考えるかもしれません。これは、私たちのDNAが、身体のあらゆる動きをプログラミングする「マスター・ブループリント（設計図）」であるという考えの背後にある夢です。しかし、なぜこれが不可能かもしれないのかを理解するには、2つの大きな概念を見る必要があります。第一に、「情報」です。これは、メッセージの中にどれだけのビット（0と1）を詰め込めるかという総量を指します。短いテキストメッセージに含まれる情報はわずかですが、高画質の映画には膨大な情報が含まれます。第二に、「複雑性」です。これは、物事が構成され得るパターンの数です。単純なおもちゃは配置のパターンが少ないですが、何百万人もの人々が動き回る賑やかな都市は、ほぼ無限の配置パターンを持っています。科学者たちは長年、生命体の内部にある「取扱説明書」（ゲノム）には、生物のあらゆる分子の正確な位置や動きを規定するのに十分な情報量があるのか、それとも、その説明書は単なるラフスケッチであり、細部は物理法則に委ねられているのか、という疑問を抱いてきました。
この問いは、生命そのものの捉え方を変えるほど重要です。もしDNAが完全なプログラムであるなら、生命はあらかじめ書かれたスクリプトを実行するロボットのようなものです。もしそれが単なるスケッチであるなら、生命はジャズバンドのようなものです。楽譜は音符とリズムを与えますが、ミュージシャン（物理法則）がリアルタイムで即興演奏を行うのです。トゥオモ・キイスキネン、オスカル・キビネン、マヌエル・A・リバスによる新しい論文は、情報理論の数学を用いてこの論争に決着をつけようとしています。彼らはゲノムと環境を情報の限られた「予算」として扱い、その予算が、生命体の正確な微視的詳細を支払うのに十分な大きさであるかどうかを問い直しています。
著者たちの主な発見は、決定的な「ノー」です。彼らは、生物が自身の微視的な組織化を、原子一つひとつの正確な位置まで指定できるほどの情報を持っていないことを証明しました。彼らは、ゲノムはパーツの種類やゲームの一般的なルールを指定することには非常に長けているものの、あらゆる動きの詳細な地図として機能するにはあまりにも小さすぎることを示しました。ゲノムは詳細な記述済みのスクリプトではなく、むしろ「ユニバーサル・コンパイラ（普遍的なコンパイラ）」（物理法則）が実行するためのゲームプランや一連のルールとして機能しているのです。コンパイラは、その大まかな指示を受け取り、化学や物理の法則を用いて、リアルタイムで正確な詳細を導き出します。
これを具体的にするために、著者たちは面白い比喩を用いています。ゲノメントを、フィギュアスケーターの体のひねりや回転の一つひとつを指示する振付師ではなく、ホッケーのコーチのゲームプランとして考えてみてください。コーチはロスター（選手名簿）、戦術、そして誰がどのラインでプレーするかを指定します。しかし、コーチはパックがどこへ行くべきかを正確に指示することはありません。それは実行時に物理学が行うのです。試合がホッケーらしく見えるのは、チームの戦略（ゲノム）によるものであり、すべての座標があらかじめプログラミングされていたからではありません。
この論文は、「プログラマード・マイクロステート・デターミニズム（プログラムされた微視的状態決定論）」という考えを明確に否定しています。これは、DNAには、あらゆる分子がいつ、どこにいるべきかを教える指示リストが含まれていることはあり得ない、ということを難解に表現したものです。著者らは、タンパク質や細胞内のすべての原子の正確な3次元座標を書き出そうとすると、必要とされる情報の量は、生物の全DNAに格納されている情報量をはるかに超えることを主張しています。例えば、ヒトの全タンパク質の正確な原子構造を指定するには、その一つのタスクだけでヒトの全ゲノムの情報容量の約41%が必要になると彼らは計算しており、しかもこれには細胞の残りの部分については一切カウントしていません！発生中の胚の正確な経路を指定しようとすれば、必要な情報はゲノムが保持できる量の数百万倍になります。
著者たちはこの点について非常に確信を持っています。彼らは単に推測したのではなく、2つの確固たるルールに基づいた数学的証明を構築しました。第一に、ゲノムは有限のサイズであること（保持できるビット数には限りがある）、第二に、情報は局所的にしか伝達できないこと（ある分子は、細胞の反対側で何が起きているかを瞬時に知ることはできない）です。彼らはシミュレーションを実行し、現実世界のデータも検証しました。彼らはタンパク質の折り畳み（プロテイン・フォールディング）を予測するAlphaFold-2（有名なAI）を用いて調査を行い、タンパク質の構造情報が、それをコードするDNAの情報よりも約27倍大きいことを発見しました。また、細菌の細胞（JCVI-syn3A）のシミュレーションを行い、細胞が増殖するにつれて、その正確な空間的レイアウトを追跡するために必要な情報が、ゲノムの容量を急速に上回ることを突き止めました。
では、これは何を意味するのでしょうか？それは、ゲノムは「生成器の仕様書（ジェネレーター・スペシフィケーション）」であって、「軌跡のプログラム（トラジェトリー・プログラム）」ではないということです。ゲノムは細胞に対して「何を」作り、「どのように」作るかの一般的な方法を伝えますが、正確な詳細を導き出すための重労働は、共有された物理法則に依存しています。ゲノムは、個々の軌跡（正確な経路）のためのスクリプトではなく、アンサンブル（起こり得る結果の集合）のためのブループリントなのです。これは、生命がランダムであることを意味するのではありません。単に、私たちの「プログラム」は私たちが考えていたよりもずっと粗いものであり、残りの部分は宇宙の物理学そのものによって処理されているということを意味しています。論文は、既知の自然界の環境信号も、このギャップを埋めることはできないことを確認しています。環境は助けにはなりますが、細胞にとっての「隠された第二のハードドライブ」にはなり得ません。この結果は生物学を再定義します。私たちは、あらかじめ書かれたコードを実行するロボットではなく、物理学の無限の可能性と相互作用する、コンパクトなルールの集合体なのです。
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