生命システム

ジェームズ・グリア・ミラーの生命システム理論は、生命の概念を形式化することを目的とした、すべての生命システムの存在、その構造、相互作用、行動、および発達に関する一般理論です。ミラーの1978年の著書『生命システム』によれば、そのようなシステムは、その機能によって定義される20の「重要なサブシステム」のそれぞれを含まなければなりません。ミラーは生命システムをシステムの一種とみなしています。生命システムのレベルより下では、空間と時間、物質とエネルギー、情報とエントロピー、組織レベル、物理的および概念的要因を定義し、生命システムより上では、生態系、惑星および太陽系、銀河などを定義します。^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}ミラーの中心的なテーゼは、生命システムの複数のレベル（細胞、器官、生物、グループ、組織、社会、超国家システム）は、エネルギーと情報の入力、スループット、および出力を処理する、重要で相互依存的なサブシステムで構成される開放システムであるということです。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}セッパネン (1998) は、ミラーが一般システム理論を広範囲に適用して、生命システムのあらゆる側面を記述したと述べている。^{[ 9 ]}ベイリーは、ミラーの理論はおそらく「最も統合的な」社会システム理論であり、^{[ 10 ]}物質エネルギー処理と情報処理を明確に区別し、社会システムが生物システムとどのように関連しているかを示していると述べている。 LST は、システムの機能の不規則性または「組織的病理」(例えば、システムのストレスと歪み、フィードバックの不規則性、情報入力の過負荷) を分析する。エントロピーの役割を社会研究で説明する一方で、ネゲントロピーを情報と秩序と同一視する。構造とプロセス、およびそれらの相互関係の両方を強調する。^{[ 11 ]}

地球が生きているという考えは哲学や宗教に見られるが、それに関する最初の科学的な議論はスコットランドの地質学者ジェームズ・ハットンによるものだった。1785年、彼は地球は超個体であり、その適切な研究は生理学であるべきだと述べた。^{[ 12 ] : 10} 1960年代にジェームズ・ラブロックによって提唱されたガイア仮説は、地球上の生命は、生存に必要な環境条件を定義し維持する単一の生物として機能することを示唆している。 ^{[ 13 ] [ 14 ]}

生命のシステム的視点では、環境変動と生物変動を「相互影響」としてまとめて扱います^{[ 15 ]。}環境との相互関係は、生態系を理解する上で重要なのと同様に、生命を理解する上でも重要であると言えるでしょう。ハロルド・J・モロウィッツ（1992）が説明するように、生命は単一の生物や種ではなく、生態系の特性です^{[ 16 ]} 。彼は、生命の生態系的な定義は、厳密に生化学的または物理的な定義よりも好ましいと主張しています。ロバート・ウラノヴィッツ（2009）は、生命と生態系の体系的で秩序を生み出す行動を理解する鍵として、相利共生を強調しています^{[ 17 ] 。}

ロバート・ローゼンは、1958年以降^{[ 18 ]} 、そのキャリアの大部分を、効率的な因果関係が存在しない自己組織化複雑系としての生命の包括的な理論の開発に費やした。彼はシステム構成要素を「組織化の単位、機能を持つ部分、すなわち部分と全体の間の明確な関係」と定義した。彼は「生物における構成要素の非分割可能性」を、生命システムと「生物学的機械」の根本的な違いとして特定した。彼は自身の見解を著書『生命そのもの』^{[ 19 ]}にまとめた。

複雑系生物学は、動的システム理論の観点から機能的な生物における複雑性の出現を研究する科学分野です。 ^{[ 20 ]}後者はシステム生物学とも呼ばれ、生命の最も基本的な側面を理解することを目指しています。密接に関連するアプローチである関係生物学は、主に生命過程を、生物の必須機能コンポーネント間の最も重要な関係とそのような関係のカテゴリの観点から理解することに関心があります。多細胞生物の場合、これは「カテゴリ生物学」、つまり生物を生物学的関係のカテゴリ理論としてモデル表現すること、および代謝、遺伝、エピジェネティックプロセスとシグナル伝達経路の動的で複雑なネットワークの観点から生物の機能的組織の代数トポロジーとして定義されています。^{[ 21 ] [ 22 ]}関連するアプローチは制約の相互依存性に焦点を当てており、制約は酵素などの分子レベル、または骨や血管系の幾何学的構造などの巨視的レベルのいずれかです。^{[ 23 ]}

ハリス・バーンスタインと同僚は1983年に、生物系と特定の物理系における秩序の進化は、ダーウィン的ダイナミクスと呼ばれる共通の基本原理に従うと主張した。これは、まず熱力学的平衡から遠く離れた単純な非生物系で巨視的な秩序がどのように生成されるかを考察し、次に考察を短い複製RNA分子に拡張することによって定式化された。根底にある秩序生成プロセスは、両方のタイプのシステムで基本的に同じであると結論付けられた。^{[ 24 ] [ 25 ]}

ジェラール・ヤガースの演算子理論は、生命とは生物に見られる典型的な閉鎖構造の存在を表す一般的な用語であり、典型的な閉鎖構造とは細胞内の膜と自己触媒セットであると提唱している^{[ 26 ]。}また、生物とは、細胞と同等以上の複雑さを持つ演算子タイプに準拠する組織を持つシステムであるとも提唱している^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]。}生命は、拡大と生殖の可能性によって形成される上位の正のフィードバックに従属する、下位の負のフィードバックによる調節機構のネットワークとしてモデル化できる^{[ 31 ] 。}

スチュアート・カウフマンは、生命システムを、自己複製能力を持ち、少なくとも1つの熱力学的仕事サイクルを完了できる自律エージェントまたはマルチエージェントシステムと定義している。^{[ 32 ]}この定義は、時間の経過とともに新たな機能が進化することによって拡張される。^{[ 33 ]}

ブディサ、クビシュキン、シュミットは、細胞生命を、(i)エネルギー、(ii)代謝、(iii)情報、(iv)形態という4つの柱/基盤の上に成り立つ組織単位として定義した。このシステムは、代謝とエネルギー供給を調節および制御することができ、情報キャリア（遺伝情報）として機能する少なくとも1つのサブシステムを含んでいる。自己維持単位としての細胞は、進化として知られる一方向で不可逆的なオープンエンドプロセスに関与するさまざまな集団の一部である。^{[ 34 ]}

制約に基づく生命システム理論（C理論）は、生存可能な生命組織の空間を制限する、必要な熱力学的、情報的、生態学的、および構造的制約の観点から生命システムを特徴づけます。これはスケールフリーではなくスケールブリッジングです。同じ種類の制約がレベル（分子→細胞→多細胞→認知→生態系）を超えて議論され、単一のスケール（代謝のみ、または生態系のみ）を「生命」の特権的な場所として扱うことはありません。^{[ 35 ] [ 36 ]}

重要な点は、「論理」（情報処理と制御^{[ 35 ]} ）は「回路」によって物理的に実装されなければならないということであり、生物学では、これは複雑なネットワーク（遺伝子制御、代謝、シグナル伝達、コミュニケーション、社会組織）によって実現される。これらのネットワークは、単なる受動的な基質ではなく、進化における変化の能動的な主体として扱われる^{[ 36 ]}。

C理論の特徴は^{[ 35 ] [ 37 ] [ 36 ]}である。

• 境界とエネルギー中間体による自律性：熱力学的自律性には、内部の作業と直接的な環境条件を切り離すための区画化（例えば膜）とエネルギー中間体（「通貨」）の貯蔵／使用が必要です。
• 非平衡状態の維持：生命システムは、継続的な自由エネルギーの流入とエントロピーの流出によって維持される非平衡定常状態として存続する。
• 循環流組織：内部代謝組織は、循環的な変換／流束サイクルを中心に構成されていると予想される。
• 遺伝可能な「テープ」情報：モノマーのエネルギーがほぼ同等の線状ヘテロポリマーは、分子情報と大きな組み合わせ探索空間の基質として期待される。
• 自己複製の構築ロジック：フォン・ノイマン型の複製ロジック（記述のコピーと解釈）を備えた閉鎖された区画が、スケーラブルな自己複製と進化の要件として想定される。
• アーキテクチャ上のトレードオフ：疎で異種混在型の階層的モジュール型ネットワークアーキテクチャは、冗長性、エラー訂正、保守の機能性とエネルギーコストのトレードオフにおいて有利であると考えられています。モジュール性と階層性は、堅牢性と「進化可能性」をサポートします。
• 創発における重要な現象：生命の起源と組織化における重要なステップは、分岐/相転移のような閾値（例えば、エラー閾値、パーコレーション/接続性閾値、サイクルの開始/自己触媒作用、キラリティなどの対称性の破れ）として記述できます。