日経サイエンス2011年08月号

ダイジェスト(日経サイエンスのサイト、PDFファイル)

特集:悪魔が開く新たな扉

マクスウェルの悪魔現る

C. H. ベネット/B. シューマッカー

ラリー・ニーヴンのショートショートに、マクスウェルの悪魔をネタにしたものがある。

ある暑い夏、魔法使いが同僚の洞窟を訪ねると、とても涼しい。 どういう魔法なのかと尋ねると、小さな魔物を召還して、洞窟の入口の空気分子を見張らせているのだという。 洞窟から出て行く高速の分子は通し、遅い分子は出て行かせないようにする。 その結果、洞窟内の空気分子の平均速度は遅くなる。 つまり低温になるのである。

感心した訪問者が洞窟の主の魔法使いを賞賛すると、魔法使いは弟子の思い付きであることを明かし、弟子を呼ぶ。

「おい、マクスウェル」

そのマクスウェルの悪魔が、実際に出現したのだそうだ。 もちろん、魔法で召還したわけではなく、マクスウェルの悪魔の作業に相当する現象を科学的に起こすことができたのである。

このマクスウェルの悪魔の存在は、熱力学第二法則(エントロピーの法則)に反するように見える。 しかし、じつはエネルギーを外部に持ち出すため、閉鎖系ではなくなるので熱力学第二法則は破れない。 ただ、そのエネルギーが熱とか光とかではなく、「情報」なのだそうだ。

悪魔が挑む絶対零度

M. G. ライゼン

レーザーを用いて分子の状態を変化させ、マクスウェルの悪魔を出現させる方法もびっくりだが、分子を止めることができる、ということにもびっくり。

熱とは分子(または原子)の運動だから、分子を止めることができれば、絶対零度(-273℃)が達成できる。 絶対零度を達成するのに必要な装置がコイルガン(電磁射出装置の減速版)とレーザートラップということにもびっくりだ。

八元数と超ひも理論

J. C. バエズ/J. ウェルタ

普通に足したり引いたり掛けたり割ったりできる「実数」は、1本の数直線上に表すことができる。つまり1次元の数、一元数である。

実数と虚数から構成される複素数 a+bi は、実数の軸(数直線)と虚数の軸からなる2次元の平面上に表すことができるので、二元数である。

3次元空間内の点の変化を表すには四元数が必要となり、超ひも理論によればこの宇宙は10次元または11次元であって、八元数を利用して説明することが可能となるという。

……うーむ。よくわからないが、高校生のとき、実数の振る舞いを説明するには実数だけでは足りず、複素数について考える必要がある、と習ったことを思い出す。 この宇宙が10次元(あるいは11次元)だったとして、それを説明するのに複素数の何倍も複雑な数学を用いなければならないとは……。

複素数はかろうじて、ノートに座標を書いて考えることができたが、八元数は紙の上には表しようがないからね。

ところで、時間はほんとうに一つの次元なのだろうか? 最近、無時間仮説が面白いと思っているのだが、時間が「ない」としても、超ひも理論に影響はないのだろうか。

擬態の達人たち

P. フォーブズ

擬態は自然選択による進化の過程を説明するのに適切な素材である。 というより、自然選択による進化を抜きに、擬態を説明するのは難しい、と言ったほうが良いだろうか。

観察者であるヒトが視覚にたよる動物であるため、視覚的な擬態の例をよく見る。 しかし、視覚とは別の感覚による擬態を行う動物がいる。

ゴマシジミの幼虫は、アリの幼虫だと思い込ませるような化学物質を放出して、アリの巣の中でアリから餌をもらって育つ。 さらに女王アリのような音を立てて、VIPを装うという。

ウミヘビや毒カレイの形態や行動を真似するミミックオクトパス(擬態蛸?)のように、複数種の「形態模写」をするものもいる。

銀河はどこへ行った?

J. E. ギーチ

宇宙に存在する全エネルギーと質量の 96% は、観測不能な暗黒エネルギーと暗黒物質だそうだ。 いや、この言い方は逆で、観測不能だから「暗黒」なのだが。

残りわずか 4% が太陽や地球やわれわれの体を形づくる通常物質で、目に見えたり電波で観測したりできる通常物質(陽子や中性子)である。

ところが、そのわずか 4% の所在もよくわからない。 銀河(星と星間物質の集合体)に含まれている通常物質の割合が、極めて低いのだそうだ。

どうも、大部分の通常物質は、銀河間のガスの流れ(フィラメント)として漂っているらしい。 重力によって銀河に引き寄せられたのち、星を形成したりブラックホールから噴き出すジェットとして銀河から流れ出たりしているという。

生態系内を循環する炭素や窒素のように、通常物質(バリオン)も宇宙のバリオン循環サイクルの中にある。 宇宙における銀河は、生態系における生物のような地位(ニッチ)にあるように見えるなぁ。

見ないで光を感じる眼

I. プロヴェンシオ

朝、太陽の光を浴びることで体内時計が調整され、ほぼ24時間の概日(がいじつ)リズムが保たれる。 このとき、太陽の光(太陽でなくても、強い青い光ならOK)を感じるのは、眼の網膜にある視細胞(桿体と錘体)ではない。 失明し、視細胞が機能しない人でも、昼夜のリズムが保たれているからだ。

……というわけで、視細胞や神経節細胞が機能しないように、遺伝子をノックアウトしたマウスで実験してみた結果……。 網膜の神経節細胞に、光に反応する視物質(メラノプシン)が見つかった。

しかし、このメラノプシンを欠くマウスも、概日リズムが保たれる。 メラノプシンを欠き、さらに視細胞が機能しない場合は概日リズムは保てない。 メラノプシンがなくても、視細胞が機能すれば、神経節細胞を経由して概日リズムを調整する中枢(視交叉上核)に信号が届く。

うーむ、こういうバイパス経路のある仕組みを見つけるのは大変だろうけど、見つけると嬉しいだろうなぁ。

はびこる農薬耐性雑草

J. アドラー

モンサント社の除草剤「ラウンドアップ」(有効成分はグリホサート)は強力な除草剤である。 強力なだけでなく、動物に対する毒性が、既知の除草剤の中で最も弱い、いわば「安全な」除草剤だそうだ。 植物と細菌が持つが動物は持たない酵素EPSPS(5-エノールピルビルシキミ酸合成酵素)を阻害するのである。

2,4-D のような植物ホルモン系の除草剤の作用は選択的で、イネ科植物には効かない。 だから小麦やトウモロコシの畑で、広葉の(双子葉類の)雑草を駆除するために用いられた(過去形)。

ところが、ラウンドアップは無差別に、植物という植物を枯らす。 ラウンドアップが散布された翌日の光景は、茶色に枯れた草原が一面に広がっていて、何とも無残である(個人の感想です)。

すべての植物を枯らしてしまうのでは、畑の雑草の駆除には使えない。 作物も枯れてしまうからだ。 そこで、モンサント社は、遺伝子組み換えによってEPSPSと似て異なる酵素を持つダイズやトウモロコシを作り出した。 ラウンドアップ耐性を持つ作物を育てている畑なら、思う存分(←誇張表現)ラウンドアップを撒いて、雑草を枯らすことができる。

遺伝子組み換え作物の種子と除草剤をセットで売ることによってモンサント社は大儲けし、農家は草取りに苦しむことなく、作物を育てて大儲け。 動物には毒じゃないから「環境にもやさしい」しね(眉に唾を付けておこう。雑草がなく単調になった植物相には、「害虫」もたくさんつくはずだ。ということは、殺虫剤をばら撒かないと、作物は実るまい)。

しかし、この宇宙にはマーフィーの法則というものがある。 何事も、いつまでも、うまくは行かないようになっているのだ。

予想されたとおり、10年の時を経て、ラウンドアップ耐性を持った雑草が出現した。 この雑草には(作物と同種の雑草以外に)ライバルがいないから、大変な勢いで育ち、作物にダメージを与える。

面白いのは(というとモンサント社の技術者と農家に悪いが)、雑草のラウンドアップ耐性が遺伝子組み換え作物から水平伝播したものではない、ということだ。 雑草が独自に進化して、ラウンドアップ耐性を獲得したのである。

しかも耐性の種類が2種類あるのだ。 ひとつは、ラウンドアップで阻害できないほど大量のEPSPSを生産するような進化。 もうひとつは、成長した葉に除草剤が偏り、枯れるようにし、頂端分裂組織を守るような進化。 雑草がどうやって分裂組織を守るのかは、まだわかっていない。

抗生物質が薬剤耐性菌を生み出すのと同じように、化学的な雑草防除は除草剤耐性雑草を生み出してしまった。 進化する(変化しながら生き残る)生物に対して、単調な化学的な防除は一時的な効果しか上げることができない。

雑草生態学的特性に合わせて、機械的に除去すること(要するに刈ったり抜いたりすること)が、もっとも有効だと思われる(ワシの30年前の卒論のテーマがこれだった)。 もちろん、年がら年中草取りに苦労する必要はない。

統計学を用いて適切なタイミングに最小限の労力で除草する方法を見つけることは可能だろう。 機械的除草そのものも、もっと「機械的」にできるかも知れない。 作物と雑草を見分け、さらに食害虫を見付けられるような農業ロボットを開発することは、新しい除草剤を開発するよりも容易なのではあるまいか。

ロボットが有効だと考えられる理由は、雑草や昆虫の進化に負けないように、ロボットの知能も進化させることができるからだ。

「始まり」を探る

SCIENTIFIC AMERICAN 編集部

この記事で紹介されていた「起源」……。

新世界退化説と闘ったジェファーソン

L. デュガトキン

18世紀、ヨーロッパの博物学者ビュフォンは『博物誌』を著し、新世界(アメリカ大陸)のほとんどの動物(ヒトを含む)は旧世界(ヨーロッパとアジア・アフリカ)よりも小さいと論じた。

もちろん、自身による観察に基づく結論ではなく、伝聞と思い込みによるものだ。 アメリカの建国と独立を快く思わなかったことが新世界退化説を産んだのである。

だから昔の科学は遅れていたのだ、とは言えまい。 21世紀の日本でも、つい最近まで「安全神話」なんていう思い込みが、「最先端の科学技術」を標榜する人たちの間に蔓延していたのだから。

サイエンス・イン・ピクチャー 脳にあふれる信号物質

C. シューノバー

神経細胞(ニューロン)の接合部(シナプス)のすき間に神経伝達物質が放出された様子を表すコンピュータ・シミュレーション画像。

神経の信号は、ニューロンの内部では電気的に伝達されるが、シナプスの間隙を越えることはできない。 発信側のニューロンの末端から神経伝達物質が分泌(放出)され、それが受信側のニューロンの末端に取り込まれると、受信側のニューロンが興奮して神経信号が伝達されて行く。

その神経伝達物質が、ターゲットとなるニューロンだけでなく、シナプスの間隙から洩れて広範囲に広がる様子が示されている。

神経伝達物質には、アドレナリン、アセチルコリン、ドーパミンなどたくさんの種類がある。 ワシにとって馴染みが深いのがセロトニンである。 セロトニンの分泌量が減ったのか、そこらのニューロンに取り込まれる量が増えたのか、とにかく全体の量が不足して神経の活動があまり活発でない状態に陥ったことがあるのだ。 セロトニンの取り込みを抑止する薬を服用することで、どうにか復活することができた。

シミュレーション画像を見て、脳内でこんなふうに神経伝達物質がブシューと出ては取り込まれることが繰り返されて、ワシという人格が形成されているのだなぁ、と思うと、ちょっと妙な気分である(脳について考える脳、という図式である)。


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Last-modified: 2011-07-15 (金) 00:02:44 (2991d)