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『生命とは何か？ 生細胞の物理的側面』は、物理学者エルヴィン・シュレーディンガーが一般読者向けに1944年に執筆した科学書である。本書は、シュレーディンガーが 1943年2月にダブリン高等研究所（当時、シュレーディンガーはダブリンのトリニティ・カレッジにある同研究所の理論物理学部長を務めていた行った一連の公開講義に基づいている。講義には約400人の聴衆が集まったが、聴衆には「内容は難解であり、物理学者の最も恐れられる武器である数学的演繹はほとんど使われないとしても、講義は一般向けとは言えない」と警告されていた。 [ 1 ] シュレーディンガーの講義は、「生物の空間的境界内で起こる空間と時間の出来事を、物理学と化学でどのように説明できるのか？」という重要な問いに焦点を当てていた。 [ 1 ]
シュレーディンガーは著書の中で、共有結合の配置に遺伝情報を含む「非周期固体」の概念を紹介した。1940年代、この概念は遺伝的継承の化学的基礎の発見への熱意を刺激した。何らかの形の遺伝情報の存在は1869年以来仮説として提唱されていたが、シュレーディンガーの講演当時は、生殖におけるその役割やらせん構造はまだ知られていなかった。1953年、ジェームズ・D・ワトソンとフランシス・クリックは、ロザリンド・フランクリンが行ったX線回折実験などの理論的洞察に基づいて、デオキシリボ核酸（DNA）の二重らせん構造を共同で提唱した。彼らは、遺伝情報の保存方法の初期の理論的記述を提示したとしてシュレーディンガーの著書を高く評価し、それぞれが独立して、初期の研究のインスピレーションの源としてこの本を認めた。[ 2 ] [ 3 ]
1944 年に出版されたこの本は、 1943 年 2 月にダブリンのトリニティ カレッジにあるダブリン高等研究所の後援のもとで行われた講義に基づいており、エイモン デ ヴァレラとその閣僚が出席した。[ 4 ]当時、DNA は細胞核の構成要素であることが知られていたものの、遺伝の分子基盤として確実に特定されておらず、「遺伝分子」の概念はさまざまな候補があるものの、厳密には理論上のものであった。この時期に最も成功した物理学の分野の一つは統計物理学であった。シュレーディンガー自身は量子力学の創始者の一人であり、量子力学は亜原子スケールでの自然界を理解するために統計的焦点を仮定する理論である。
シュレーディンガーによる「生命とは何か？」と題された3回の公開講演シリーズは、1943年2月にダブリン高等研究所（DIAS）の後援のもと、トリニティ・カレッジ・ダブリンで行われた。1940年、アイルランド首相のエイモン・デ・ヴァレラは、シュレーディンガーをDIASの理論物理学部の初代部長に招聘した。オーストリア出身の物理学者で、波動力学の発展により1933年にノーベル物理学賞を共同受賞したシュレーディンガーは、ナチス・ドイツを離れ、オックスフォード、グラーツ、ヘントでの滞在を経て、ダブリンに定住し、生涯で最も長い16年間をそこで過ごした。DIASの定款上の義務の一つは、一般聴衆向けの年次講演シリーズを開催することであった。シュレーディンガーは1943年の級数を自ら考案し、ダブリンのトリニティ・カレッジ（TCD）で発表した。[ 5 ]
シュレーディンガーは、1943年2月の3週連続の金曜日（5日、12日、19日）に、トリニティ・カレッジで「生命とは何か？」という総称で3回の講演を行った。講演は、トリニティ・カレッジのフィッツジェラルド・ビルディングにある物理学講義室で行われた。シュレーディンガー自身が著書『生命とは何か？』に記しているように、各講演の聴衆は約400人だった。物理学講義室の収容人数は約150人だったため、各講演は翌週の月曜日に繰り返されたと考えられている。講演はアイリッシュ・タイムズ紙で広く宣伝され、アメリカのタイム誌でも取り上げられた。実際、1943年2月6日、アイリッシュ・タイムズ紙は、講演前にトリニティ・カレッジの物理学棟の外に立つシュレーディンガーと、トリニティ・カレッジの学長アーネスト・アルトン博士、首相エイモン・デ・ヴァレラの写真を掲載した。
シュレーディンガーの当初の目的は、「生物の空間的境界内で起こる時空間の事象を、物理学と化学でどのように説明できるか」という問いに取り組むことであった。このテーマは難解であり、一般的な意味での一般向け科学講義ではないことは、事前に認識されていた。シュレーディンガーは講義、そして後にそれを基にした1944年の著書の中で、遺伝構造の安定性、突然変異、そして生細胞の組織化の根底に物理的概念がどのように存在するのかを探求した。彼は、提案された遺伝物質を説明するために「非周期結晶」という概念を導入した。また、生命システムは熱力学の法則に合致しており、成長に伴うエントロピーの減少を、環境から「負のエントロピー」を取り込むことで補償していると主張した。当時、DNAという形で遺伝の分子メカニズムはまだ発見されていなかったが、1935年にニコライ・ティモフェエフ＝レッソフスキー、カール・ツィンマー、マックス・デルブリュックは、ベルリンのカイザー・ヴィルヘルム化学研究所で遺伝子の分子基盤の最初の実験的証拠を発表した。シュレーディンガーはベルリン時代からデルブリュックを知っており、彼の研究に深く興味を持っていた。ダブリンでの彼の推測は、実験的研究に注目を集め、さらなる研究を促すのに役立った。[ 6 ]
彼の講義を基にしたこの本は、若き分子生物学者ジェームズ・D・ワトソンとフランシス・クリックに大きな影響を与えたと広く評価されており、両者とも1953年のDNA二重らせん構造の発見において、彼の研究が決定的な役割を果たしたことを認めている。ダブリン高等研究所には、クリックがシュレーディンガーに宛てた1953年の手紙が所蔵されており、その中でワトソンとクリックが『生命とは何か？』に影響を受けたことが記されている。
これらの講義は「戦時中の6年間の暗黒時代において、トリニティで起こった最も重要で刺激的な出来事」と見なされるかもしれない。[ 7 ]タイム誌は、「アイルランドの不安定な平和の中でしか、今日のヨーロッパでこのような光景は見られないだろう。先月、ダブリンのトリニティ・カレッジでは、満員の科学講演会に大勢の人が詰めかけ、入場を断られた。閣僚、外交官、学者、社交界の人々が、ウィーン生まれの小柄な物理学教授に盛大な拍手を送った。エルヴィン・シュレーディンガーは『生命とは何か？』というテーマで講演していた。」と報じた。[ 8 ]
トリニティ・カレッジは現在、さまざまな形でこれらの講義を記念している。毎年恒例の「生命とは何か？」講演（1995年開始）は、通常物理学講義室で行われ、1943年の一連の講演を称えている。2018年には、75周年記念会議「シュレーディンガー75歳：生物学の未来」が開催された。トリニティ図書館はまた、シュレーディンガーのダブリン時代と講義の影響を記念する展覧会も開催した。
マックス・デルブリュックの生命の物理的基礎に関する考え方は、シュレーディンガーに大きな影響を与えた。[ 9 ]しかし、『生命とは何か？』の出版よりずっと前に、後に1946年にノーベル賞を受賞するアメリカの遺伝学者ヘルマン・J・ミュラーは、1922年の論文「個体遺伝子の変化による変異」[ 10 ]で、シュレーディンガーが1944年に『生命とは何か？』で「第一原理から」再導出した「遺伝分子」（当時はまだDNAとは知られていなかった）の基本的な性質をすべて示していた（分子の「非周期性」を含む）。ミュラーは、1929年の論文「生命の基礎としての遺伝子」[ 11 ]や1930年代を通じて、これらの性質をさらに具体的にし、洗練させた。[ 12 ] ミュラー自身も、1960年にジャーナリストに宛てた手紙の中で、 『生命とは何か？ 』について次のように書いている。その本が「遺伝分子」について正しかったことは、1944 年以前にすでに発表されており、シュレーディンガーのものは単なる間違った推測に過ぎなかったとミュラーは主張した。また、1944 年以前の関連する出版物をすべて知っていて、1944 年以前にシュレーディンガーと連絡を取っていたデルブリュックを含む 2 人の著名な遺伝学者の名前も挙げた。遺伝分子としての DNA が最重要視されるようになったのは、1944 年に発表されたオズワルド・エイブリーの細菌形質転換実験の後である。これらの実験以前は、タンパク質が最も有力な候補と考えられていた。DNA が問題の分子であることが確認されたのは、 1952 年に行われたハーシー・チェイス実験によるものである。
第1章で、シュレーディンガーは、大規模な物理法則のほとんどは小規模なカオスに起因すると説明しています。彼はこの原理を「無秩序からの秩序」と呼んでいます。例として拡散を挙げ、これは高度に秩序だったプロセスとしてモデル化できるものの、実際には原子や分子のランダムな動きによって引き起こされると述べています。原子の数が減るにつれて、システムの挙動はますますランダムになります。彼は、生命は秩序に大きく依存しており、素朴な物理学者は生物の基本コードが多数の原子から構成されていると考えるかもしれないと述べています。
第2章と第3章では、彼は当時知られていた遺伝メカニズムについて概説している。最も重要なのは、生物進化における突然変異の役割を詳しく解説している点である。彼は、遺伝情報の担体は小さく、かつ永続的でなければならないと結論づけており、これは素朴な物理学者の予想とは矛盾する。この矛盾は古典物理学では解決できない。
第4章で、シュレーディンガーは、わずか数個の原子から構成されているにもかかわらず安定している分子を解決策として提示する。分子の存在は古くから知られていたものの、量子力学の離散的な性質ゆえに、古典物理学ではその安定性を説明できなかった。さらに、突然変異は量子飛躍と直接的に結びついている。
彼は第5章で、真の固体、つまり永続的な固体は、高度に秩序だった結晶から構成されていると説明を続けている。分子と結晶の安定性は同じ原理によるものであり、分子は「固体の胚芽」と呼べるかもしれない。一方、結晶構造を持たない非晶質固体は、非常に高い粘度を持つ液体とみなすべきである。シュレーディンガーは、遺伝物質は結晶とは異なり自己複製しない分子である可能性が高いと述べている。彼はこれを「非周期結晶」と呼んでいる。その非周期性により、少数の原子でほぼ無限の可能性を符号化することができる。彼は最後にこの考えを既知の事実と比較し、それらが一致することを見出している。
第6章で、シュレーディンガーは次のように述べている。
生命体は、これまで確立されてきた「物理法則」から逃れることはないが、これまで知られていなかった「他の物理法則」が関わっている可能性が高い。しかし、それらが解明されれば、前者と同様に科学の不可欠な一部となるだろう。
彼はこの発言が誤解を招く可能性があると予想し、それを明確にしようと試みている。「無秩序からの秩序」に関わる主な原理は熱力学第二法則であり、それによれば、エントロピーは閉鎖系（宇宙など）では増加する一方である。シュレーディンガーは、生命体は開放系において負のエントロピーを恒常的に維持することで、熱力学的平衡への崩壊を回避していると説明している。
第7章で彼は、「秩序からの秩序」は物理学において全く新しいものではなく、実際にはもっと単純でもっともらしいと主張している。しかし、自然は「無秩序からの秩序」に従っており、天体の予測可能な動きや時計などの機械装置の挙動といった例外がある。それらでさえ、熱力や摩擦力の影響を受ける。システムが機械的に機能するかランダムに機能するかは温度に依存する。十分に加熱されると、時計はランダムに動く分子の塊に溶けてしまう。逆に、温度が絶対零度に近づくと、あらゆるシステムはますます機械的に振る舞うようになる。時計のような一部のシステムは、室温でもこの機械的挙動に近づく。
シュレーディンガーはこの章、そして本書を、決定論、自由意志、そして人間の意識の謎についての哲学的考察で締めくくっている。彼は「次の2つの前提から、矛盾のない正しい結論を導き出せるかどうか」を試みている。（1）私の身体は自然法則に従って純粋な機械として機能する。（2）しかしながら、私は反論の余地のない直接的な経験によって、自分の身体の動きを操っていることを知っており、その結果を予見し、それが運命的で極めて重要なものになる可能性もあるため、その責任を全面的に感じ、負う。この2つの事実から導き出せる唯一の推論は、私――最も広い意味での私、つまり「私」と言ったり感じたりしたことのあるすべての意識――が、自然法則に従って「原子の運動」を制御している唯一の存在である、ということだと私は考える。シュレーディンガーは、この洞察は新しいものではなく、ウパニシャッドでは「アートマン＝ブラフマン」というこの洞察が「世界の出来事に関する最も深い洞察の本質を表している」と考えられていたと述べている。シュレーディンガーは、意識の源が肉体とともに消滅するという考えを「不快」だとして拒否する。また、意識は肉体に大きく依存していると信じているため、肉体なしで存在できる複数の不滅の魂が存在するという考えも拒否する。シュレーディンガーは、この2つの前提を調和させるために、
「唯一可能な代替案は、意識は単数であり、その複数形は知られていないという直接的な経験に留まること、つまり、存在するものはただ一つであり、複数に見えるものは、この一つのものの様々な側面の連続にすぎないということである…」
意識が複数であるという直観は幻想だと彼は言う。シュレーディンガーは、各個人の意識は宇宙に遍在する単一の意識の現れにすぎないというヒンドゥー教のブラフマンの概念に共感しており、これはヒンドゥー教の神の概念に対応する。シュレーディンガーは、「…『私』は、自然法則に従って『原子の運動』を制御する人物である」と結論づけている。しかし、彼はその結論を「哲学的含意において必然的に主観的」であるとも述べている。最後の段落で、彼は「私」とは経験された出来事の集合ではなく、「つまり、それらが収集されるキャンバス」を意味すると指摘している。催眠術師が以前のすべての記憶を消し去ることに成功したとしても、個人的存在の喪失はないだろう、と彼は書いている。「そして、それは決してないだろう」[ 13 ]
熱力学第二法則に支配される世界では、すべての孤立系は最大無秩序またはエントロピーの状態、すなわち自由エネルギーがもはや仕事をするために利用できない不可逆的な熱力学的平衡状態に近づくと予想されます。生命は高度に秩序だった状態に近づき、それを維持しているため、前述の第二法則に違反し、パラドックスが存在すると主張されてきました。しかし、生物圏は孤立系ではないため、パラドックスはありません。生物内部の秩序の増加は、環境への熱損失によって生物外部の無秩序の増加によって十分に補われます。このメカニズムにより、第二法則は遵守され、生命は高度に秩序だった状態を維持し、宇宙の無秩序の正味の増加を引き起こすことによってそれを維持します。地球上の複雑性を高めるためには（生命がそうであるように）、自由エネルギーが必要であり、この場合は太陽によって供給されます。[ 14 ] [ 15 ]
シュレーディンガーの『生命とは何か？』（1943年のダブリン講義に基づく）は、遺伝を物理的な問題として捉え、「非周期結晶」の概念を普及させることで分子生物学の発展を促し、事実上遺伝暗号を予見した。物理学者を生物学に引き込んだ。サルカー[ 16 ]は、ワトソン、クリック、ベンザー、ウィルキンスといった創始者たちへの影響を指摘しているが、彼らはいずれにせよこの分野に足を踏み入れていただろうと言う者もいる。しかし、後世はシュレーディンガーの時代遅れの生物学や、「新しい法則」や「負のエントロピー」についての彼の推測を批判した。サルカーは、これらの批判は当時の時代背景を考えると不当な場合が多く、この本の永続的な遺産は技術的な正確さよりも概念的なインスピレーションにあると主張する。クリックが後にシュレーディンガーに宛てた手紙（現在はDIASが所蔵）は、インスピレーションへの感謝と「非周期結晶」が適切であったことの確認という、この二重の遺産を捉えている。