マーギリウスの想いと生物のエントロピー
今から約38億年前に生命は原始の海の中で誕生しました（右図参照。年代については下図を参照）。 その頃の海には、二酸化炭素、窒素、水蒸気などが豊富な大気から雷、火山、隕石、熱水鉱泉などの刺激を受けて非生物学的に作られた、生命に必須うの有機物（アミノ酸、核酸塩基、糖、脂肪酸など）が豊富に溶け込んでいて、スープのような状態でした（今の皆さんの小腸の中のように）。栄養が豊富であったために、原始生命（１倍体）が爆発的に増え、種も沢山出現しました。しかしその爆発的増加によって、次第に有機物が枯渇してきました。そうした中、真核生物が誕生する上で重要な役割を演ずることになった3つのグループ、１）細胞壁を失ってヒダヒダになってアメーバーのように巨大化し、また細胞膜で核を保護する仕組みを持つようになった、原始真核生物（細胞壁を分解するバクテリアが存在しなかったため細胞壁となる原料が一方的に枯渇していったと考えられています）、２）葉緑体の祖先となるシアノバクテリア、及び３）ミトコンドリアの祖先となるプロテオバクテリア、が登場してきました。
[現在、エントロピーとして認知されているのは、熱力学的エントロピーと情報エントロピーのみです。総合研究大学院大学時代に生物学的エントロピーと言う言葉を使ったときに、「無闇にエントロピーと言う言葉を使うべきではない」と厳しい忠告を受けたことがありました。その場面にいた東大比較文化の金子邦彦教授（当時）から、「ガチガチな還元主義者を相手に無意味な波紋を起こすことは避け、今のところは不可逆過程の指標ぐらいにして置いたらどうですか」という親切な忠告を頂きました。その当時は成る程と思い忠告に従っていたのですが、本HPでは時効と言うこともあり、啓蒙書として分かりやすさを優先して、厳密さは犠牲にして生物学的エントロピーと言う言葉をあえて使いたいと思います。熱力学的エントロピーと情報エントロピーを足したようなものという漠然と思っています。当時、吉川研一氏（京大教授）から、これをSoft Non-Equilibrium Thermodynamics として発展させようと言う提案があり、その積りになりました。しかし、何分小さな研究室で何もかも一人でやらなければならなかったので、準備をしているうちに定年になってしまいました。力不足です。Excuseをお許し下さい。]
総合研究大学院大学プロジェクト、新分野の開拓「生物における時間の意義」を担当していた頃、ミトコンドリアは単なるATP合成工場ではなく、例えば、多細胞動物の分化初期に、生殖細胞と体細胞に振り分ける機能を果たしていることを知りました。しかし近年は、ミトコンドリアはもっと多彩で多能であることを示す、様々なことが明らかにされています。そうした中、ATP合成の副産物であるフリーラジカルの攻撃を受けてダメージを受けても直ちに修復する仕組みを持っている、つまりミトコンドリアは老化しない、と言われるようになりました。ミトコンドリアにはある時期になって若返ると言う仕組みは必要がないということです。またミトコンドリアは核膜を覆っていることも明らかにされました。図8を御覧ください。この図からは、核に大量のATPを供給するばかりではなく、老化しないミトコンドリアが酸素やROS/RNSから核を守っているようにも見えます。更に、形態は我々が従来教科書で目にしてきた米粒のような形をしたものとはかけ離れています。細胞内のミトコンドリアは一個しかなく、細長い繊維のように自在に形を変え、ATPを必要としている部位へあたかも触手のように手を伸ばして（時には千切れたりして）ATPを届けている、と考えられるようになりました。
ミトコンドリアは、「個が確立した状態」のまま単に宿主にATPを供給すると言う共生ではなく、自身がその細胞の一部となり、細胞の生命維持に不可欠な機能を積極的に制御していると言う、単なる共生という概念を超越した、自身が作り出すATPを無駄なく消費してもらい、同時に産出してしまうことが避けられないフリーラジカル（改めて図9参照下さい）の脅威から細胞を守る、と言う2つの使命を果たしているように思います。いわば「河豚は食いたし命は惜しし」と言う二律背反的な役割を果たしていると言えます。皮肉なことに、この招かざるフリーラジカルとの付き合い方が、生物のその後の命運を決定することとなりました。上手な付き合い方を会得したものは生き残り、失敗したものは滅んで行きました。しかし、生き残っても、招かざる客に常に生存を脅かされる事態は少しも変わりません、常により良い付き合い方を模索しなければなりませんでした。そして運良く模索に成功したもの（たどり着くべくしてたどり着いたもの）には輝かしい未来が約束されることになりました。（総合研究大学院大学で我々は、生体は多くの要素が複雑に絡まったシステムと捉えて、上述したことの基盤となったものは、非平衡熱力学で議論されるシステム全体の極小エントロピー生成（や工学で言う最適値）のようなもので、生物の時間軸の底流を貫いている一方向にしか進まない生物における時間の矢の本質である、との議論を続けしました。本HPはその纏め直しということです）。
ゾウリムの行動の概日リズムを測定実験中、無心に動き回るゾウリムシを眺めていると、しばしばそこに動物の行動の真髄が詰まっているとの思いに駆られることがありました。昼は動き回って餌をかき集め、夜になると行動が鈍くなり、結果的に大勢仲間がいる所に集まります。そこで自身が性的に成熟していれば同じく成熟した相補的な相手（異性）と接合（生殖）をして若返る（次世代が始まる）からです。動物の一日の行動の縮図を見る思いでした。
餌となるバクテリアは昼も夜もほぼ同じように分布している筈です。それでも真昼に最も活発に動き回り、夜になると鈍くなって真夜中では寝ているように見えます（前頁「一匹のゾウリムシも昼速く夜遅い」で見た通りです）。本HP「時間軸上における繊毛の意義」の頁で述べたように、光を受容すると繊毛膜は過分極になって、繊毛打が速く打つようになりますが、それでも最も速く泳ぐのは真昼の時間帯です。決して、光が当たった瞬間から一様に速くなる訳ではありません。体内時計が体内の生理現象を制御しているからです。昼間は沢山餌をかき集めることに専念し、夜はそれらを消化することに専念します。沢山かき集めればいいというわけではありません。沢山かき集めて消化すればするほど、有害なフリーラジラルを多く放出してしまいます。エネルギーとフリーラジカル放出の最適なバランスが重要です。そこには、たどり着くべくしてたどり着いた生物としての必然がある筈です。それが極小エントロピー生成と言う訳です。このことについて次回はもう少し掘り下げて考えたいと思います。
[このHPを計画してからもう２年も経ってしまいました。その間の小生自身の生物学的時間の進行が甚だしく、この分では始め思っていたことを全部網羅することは不可能であると思うようになってきました。出来るだけ早く上記した「生物学的エントロピー」についての記述を始めたいと思います。ただ総合研究大学院大学時代に話をしていたことを大分忘れているのではないかと危惧をしています。]
私は、学部の卒論で宇宙線のエネルギーを測定する研究を行いました。その時の指導教官（早稲田大学理工学研究所・藤本陽一名誉教授）が、「我々日本人の自然観は、西洋人のものとは深いところで異なるものです。西洋人には見えないことを示すことが、研究者にとってのequal partnershipです」という話をされたことがありました。このequal partnershipという言葉が、研究者としての道を選択するかどうか悩んでいた私の心に染み込み、血となり肉となったように思います。この言葉は生命観にも当てはまるものと思います。体内時計の分子生物学的研究で、時計遺伝子群のフードバックが多くの生理現象を24時間周期で制御しているという、１点の要素に還元する考え方に馴染めませんでした。その根幹には、この血となり肉となった言葉があったからだと思います。多くの蛋白質がその時の地球の自転に伴う時々刻々変化する場（時空）の中で互いに協働し合い全体として無駄の少ない状態を生み出している、というintegrativeな考え方が本来我々日本人には馴染みやすい（或いは得意な）のではないかと思います。3.11の東日本大震災の前までは、常々日本人は世代間で大きく変わっていると思っていましたが、震災直後の人々（特に若い人達）の行動から、日本人は深いところではまったく変わっていないことを実感しました。自然の脅威を体感したこれからの若い人には、強烈な体験と古から受け継がれてきた自然観・生命観を背景として、日本人として得意な、そして西洋人には真似のできない、研究を推し進めてもらいたいという思いをこのシリーズに込めていきたいと思います。
分を混ぜ合わせる接合（=有性生 通常ゾウリムシは細胞分裂（＝無性生殖）によってクローン（同じ遺伝子を持った細胞集団）を増大させます。それは多細胞動物が細胞を増やして成長する（＝体を大きくする）ことと同じことです。しかし無性生殖としての細胞分裂には限界があります。ある回 数以上は分裂が出来ないのです。分裂回数が限界に達するとクローン全体が死滅してしまいます。多細胞動物の個体がやがて死ぬことに等しいと言えます。それでは種は維持できません。分裂回数の限界に達する前にリセットして若返る必要があります。ゾウリムシは、種毎に決まった分裂回数に達すると、性的に成熟し（＝多細胞動物の子育てが出来る年齢になる頃）、異なる個体からの小核の遺伝子の殖）を行って若返ります。
細菌などの原核細胞生物は、ドンドン分裂して増えて行き、遺伝子が変化してもお構いなしです。新型が誕生することも容易です（特定の薬に対する耐性菌ができるのもこのためです）。蛋白合成を担うリポゾームは細胞内に浮遊しており、DNA内の蛋白質合成に必要な設計図である塩基配列（＝ヌクレオチド配列）をRNAにコピーする転写と蛋白合成を行う翻訳は細胞質で行われます（右図１）。DNAは環状で、情報を担う塩基は剥き出しのままです。遺伝子に損傷を与える原因物質（後参照）の発生は少なく、多少の遺伝子損傷はむしろ環境に効率よく適応する新種を生み出し易いと言う利点がありました。そして今から32億年前頃（生命誕生は約35億年前）になって、太陽の光エネルギーをブドウ糖と言う化学エネルギーに変換する葉緑体の祖先、シアノバクテリアが誕生しました（27億年前頃）。当時の大気中には無かった酸素を大量に放出しました。酸素は、本HP「動力装置と燃料の話・基礎編」の頁で記述したように、電子を引き付けて生体分子の構造を変化させてしまう、生物にとっては毒性の強い原子です。そのため当時の生物は、死に絶えるか、酸素が届かない深い所に逃げ込むか、外に方法はありませんでした。そんな中、シアノバクテリアの光合成産物であるブドウ糖を二酸化炭素と水に分解してATPを合成する、ミトコンドリアの先祖となったプロテオバクテリアが登場しました。やがてそのプロテオバクテリアが、（堅い細胞壁を失ってアメーバーの様に）巨大化した原始真核細胞に共生して真核細胞生物が誕生しました（20億年前頃。共生については後で再度詳述します）。ミトコンドリアの共生は、宿主へのATP供給能力を飛躍的に向上させた反面、遺伝子や蛋白質に損傷を与える毒性の強い活性酸素種（ROS）や活性窒素種(RNS)を沢山産出することにもなりました（酸化ストレス。図２参照）。 通常ゾウリムシは細胞分裂（＝無性生殖）によってクローン（同じ遺伝子を持った細胞集団）を増大させます。それは多細胞動物が細胞を増やして成長する（＝体を大きくする）ことと同じことです。しかし無性生殖としての細胞分裂には限界があります。ある回数以上は分裂が出来ないのです。分裂回数が限界に達するとクローン全体が死滅してしまいます。多細胞動物の個体がやがて死ぬことに等しいと言えます。それでは種は維持できません。分裂回数の限界に達する前にリセットして若返る必要があります。ゾウリムシは、種毎に決まった分裂回数に達すると、性的に成熟し（＝多細胞動物の子育てが出来る年齢になる頃）、異なる個体からの小核の遺伝子の半分を混ぜ合わせる接合（=有性生殖）を行って若返ります。