日経サイエンス2011年10月号

今回の日経サイエンスは、会社の昼飯時に食堂で開きにくかった。 ページいっぱいにヒトの脳の標本の写真や、アイバンクの目玉の写真が載っているからだ。 もちろんワシは、そういう写真を見て、記事を読みながら弁当を食うことはできるのだけれど、隣の席に座った同僚が食欲をなくしたら悪いなぁ、と思ったからだ。

というわけで、「知能の物理学」や「目を生んだ進化」は自宅で読み、会社では「シュレーディンガーの鳥」や「ハッカーが狙う大停電」を読んだ。

ダイジェスト(日経サイエンスのサイト、PDFファイル)

シュレーディンガーの鳥 生命の中の量子世界

V. ヴェドラル

放射性崩壊する原子をスイッチにして、そのスイッチによって毒ガスが放出される仕組みを作り、猫と一緒に箱の中に入れる。 原子はいつ崩壊するかわからないので、箱の外にいる観測者からすると、猫は「生きている」と「死んでいる」のどちらの状態かわからない。 量子力学的に解釈すると、放射性元素は「崩壊していない状態」と「崩壊した状態」を同時に取ることができるので、箱の中の猫も「生きている状態」と「死んでいる状態」の両方の状態を同時に取っていることになる。 観測者が箱を開けたとき、猫の状態は「生きている」か「死んでいる」か、どちらかの状態に収束する。

……という有名な思考実験が、「シュレーディンガーの猫」である。 原子の状態というミクロな世界と、猫の状態というマクロな世界の間がつながっていること、「ここまでは量子力学の世界、ここからは古典力学の世界」という線引きはできないことを示しているそうだ。

実際に、マクロな世界……鳥の目や光合成細菌……においても量子力学的効果が観測されているらしい。 ……らしいのだが、どうもよくわからない。 大学を出たころ(もう30年前の話だ)、量子生物学という分野が立ち上がり、光合成色素分子を励起するのに光量子が何個必要か、なんていう話が『科学朝日』に載っていた。 ……どうも、そういう量子生物学とは違うようだ。

知能の物理学

D. フォックス

ヒトの脳は、物理学的な限界に来ているらしい。

ヒトが最も知能が高い動物なのか、ということはさておき。 知能をどう定義するかもさておき。 現在以上に脳を改良しようとしても、熱力学的な限界に突き当たるのだそうだ。

例えば、脳のサイズを大きくしてニューロンを増やすと、消費エネルギーが増えるとともに、ニューロン間の配線(軸索)が長くなり、処理速度が低下する。

ちょっと面白かったのは、現在の脳が領域ごとに機能分化していることそのものが、すでにアップグレードを図った結果だということだ。 脳を大型化すると、長距離接続が増えて、情報伝達に時間がかかる。 そこで、似たような機能を持ったニューロンを集めてモジュール化し、モジュール同士を接続するようにすれば、長距離接続を減らせる。

大脳が右半球と左半球で機能分化していたり、視覚や記憶、運動と感覚の中枢がモジュール化しているのも、大きくなった脳の機能低下を補うための進化的な(例によって間に合わせの)対応策というわけだ。 高度な機能を発揮する「ため」にモジュール化されているわけではない……どっちが原因でどっちが結果か、難しいが、目的論を廃したほうが正解なのだろうね。

モジュールを増やし、モジュール間の接続を増やして高機能化しようとすると、接続ケーブル(軸索)がたくさん必要となるので、またもやエネルギーを消費する。 それだけでなく、ケーブルにスペースをとられる。 なんとなく、会社のサーバ室の状況を思い出した。 何台も並んだラックにサーバ(モジュール化されたコンピュータ)が並んでいるが、その背面や床下はケーブルだらけである。 サーバが増えれば増えるほど、ケーブルが増え、消費電力が増え、発生する熱も増える。

そういえば、すでにヒトの脳も、神経細胞体のある灰白質よりも、軸索の塊である白質のほうが体積が大きい。

では、ニューロンを小さくし、軸索を細くして、より高密度に実装できるようにするとどうか。 結果は、ノイズによる誤動作だ。

神経細胞体や軸索における情報伝達は、電気的な信号と化学的な物質のやりとりによって行われている。 樹状突起や軸索が細くなると、イオンチャネルのランダムな開閉が近隣のイオンチャネルに影響を及ぼし、自然に発火する確率が高くなる。 脳全体に影響が及べば、常に躁状態になってしまうのだろうか。

……というわけで、ヒトの脳は物理学的な限界に到達しているのだが、ヒトはいま以上に賢くなることはできないのだろうか?  筆者は外部記憶(文字とコンピュータ)が新たな可能性をもたらすかもしれないと述べている。

外部記憶として用意された機械の脳が、生体脳の限界を超えて、新たな知能を獲得する。 ……まぁ、ありとあらゆる SF でシミュレーションされている状況ですな。

星の周期表

K. クロズウェル

横軸に表面温度、縦軸に恒星の明るさ(光度)をとり、そこに恒星をプロットする。 こうして出来上がる「ヘルツシュプルング・ラッセル図」から、恒星の一生や特性がわかる。

表面温度の違いは、恒星の表層の元素が吸収する光の波長の違い(スペクトル型)として表れる。 表面温度の高いほうから低いほうへ、O、B、A、F、G、K、M となる。

これを、“Oh, be a fine girl, kiss me!”と覚えるという話を、グレゴリイ・ベンフォードの SF で読んだ。 日本語では、「お婆、河豚噛む」(オバアフグカム)という語呂合わせがあるそうだ。

眼を生んだ進化

T. D. ラム

人類は原始的な生物から進化したのではない、創造主によって形づくられたのだ、と信じている人たちがいる。 信じるのは勝手だが、科学的な根拠を言い立てるのが腑に落ちない(ファンタジーを信じるなら、科学と同じ土俵に上らないほうが良いと思うのだが……)。

その根拠の一つとしてよく挙げられるのが、「ヒトの眼ほど複雑でものを見るのに完璧な器官が、進化という偶然の積み重ねによって(これも思い違いなのだが)出来上がるはずがない、知的な存在によってデザインされたに違いない」というものだ。 「もしも進化によって徐々に現在の形になったのだとしたら、不完全な中間段階の眼を持つ生物がいるはずだが、見つかっていない」と続く。

この話を始めて聞いたとき、ワシは高校生だったが、「この人たちはプラナリア*1の眼を見たことがないのだろうか」と思った。 プラナリアの眼にはレンズがなく、網膜が半球状になっているだけだ(向かい合わせになっているので、寄り眼のようで可愛いのだ)。 おそらく、周囲の光景をはっきり見ることはできないが、光の来る方向と、影がさせばその方向を知ることはできるだろう。

もっとも、プラナリアでは原始的過ぎて、ヒトとは比較にならないという言い訳もあるかも知れない。 よりヒトに近い脊椎動物の中で、ヌタウナギやヤツメウナギが原始的な眼を持つことがわかった。 しかも、ヒトの胚の発生初期の(形成途中の)眼と構造が似ている。 網膜が2層構造で、その後3層になるのだ。

また、ヌタウナギ同様の2層構造の眼は、視覚器官というよりは概日リズム(約24時間周期の生物時計)を調節するための光受容器官で、約5億年前に進化したと考えられるそうだ。

なお、ヒトの眼には欠陥があり、技術者なら絶対にこんなふうには設計しない。

例えば、視細胞はレンズの方向(光が入ってくる方向)ではなく、逆の方向を向いている。 網膜の外層の色素層で反射した光を検出しているのだ。 視細胞や神経節細胞を通り抜け、色素層で反射した光だから、弱まっているし、ボケている。 細胞の色や網膜の血管のせいで、なおさら像はボケるし色も変わる。 それを脳で必死に補正しているわけだ。

平行進化の例としてよく持ち出されるタコやイカの眼は、視細胞がレンズのほうを向いているので、ヒトよりも完成度が高い(ひょっとしたら、測り方によっては知能もヒトよりも高いかも?)。

また、視神経が網膜の外側ではなく内側にあるから、その視神経の束が網膜を突き抜け、脳へと向かう部分には、視細胞がない。 つまり視神経の束の直径分、「見えない」場所があるのだ。 これが盲点で、誰でも簡単に盲点を確認することができる(「脳のなかの幽霊」参照)。

盲点検出図形

もちろん、タコやイカの眼には、盲点はない。 それに、昆虫の複眼にも盲点はない。

人間が最高の、神に最も近い生物であるという幻想を捨てれば、進化によって生まれた豊かな多様性と、神秘的なまでに巧妙な適応の結果を味わうことができるのにね。

ハッカーが狙う大停電

D. M. ニコル

電力網を構成する発電所や変電所のコンピュータに、USBメモリを経由してウイルスを潜ませる。 制御システムを乗っ取って、交流のサイクルをずらして発電機を過負荷にしたり、送電線の容量以上の電力を供給させることが可能だ。 また、Wi-Fiネットワークなどからボットネットを使って給電指令所に大量のメッセージを送り込み、システムをダウンさせる。

そうした「テロ」によって、米国全土を停電させることが可能だという。

電力網のネットワークはインターネットとは独立している。 しかし、USBメモリ経由での侵入、変電所近辺からの無線ネットワークへの侵入などを完全に防ぐことはできない。

USBメモリなんて取引先業者からもらうこともあるから、そこにウイルスが潜んでいたらひとたまりもない。 しかも、インターネットから独立したネットワークでは、OSのパッチやウイルス対策ソフトが最新版でない場合も多いだろう。 業務システムは、最新パッチを当てて不具合が起こることを嫌って、古い状態で安定稼動させることも多いのだ。 インターネットに接続していないから安心、という油断もあるだろう。

この論文では電力網のダウンが主な話題として扱われているが、冒頭の「スッタクスネット・ウイルス」はイランの核物質濃縮施設を狙ったものだった。 ITMediaの記事「Check Point Experience Report:原発を乗っ取るコンピュータウイルスはどう侵入したのか」によると、Stuxnet が原子力発電所の制御システムを乗っ取る可能性について論じている。

自然災害への対応だけでも大変なことなのに、人為的な、悪意を持った災害への対応など、可能なのだろうか?

哺乳類の祖先を襲った温暖化

L. R. カンプ

「前回」の急激な温暖化は 5600万年前のことで、地球の気温は約 5℃だった。 しかし、5℃の上昇に 2万年ほどかかっている。

ところが「今回」は同じ程度の気温上昇に数百年しかかからないと予想されている。

「前回」は、大陸移動に伴う地殻変動で溶岩が噴出し、炭素を含む堆積物や石油・石炭を燃やして二酸化炭素を増加させたことが原因である。 気温の上昇は海水温の上昇をもたらし、海底のメタンハイドレートを融かした。 メタンは、二酸化炭素以上に「効果的」な温室効果ガスである。 そうしてさらに気温が上昇すると、永久凍土が融け、植物遺骸を微生物が食べてメタンを放出する。

その結果、深海の海水が酸性化し、海底に生息する有孔虫*2の種の30〜50%が絶滅した。 その一方、地上の生物は温暖化に適応するか、移動することによって死滅を免れた。 むしろ、適応放散したり生息域を広げたりと、結果論的には利点もあったようだ。

「今回」は、その変化が急激過ぎる。 海水の酸性化のみならず、氷河や氷床が融解することで海水面が上昇し、多くの生物が絶滅するだろう。 人類も住処の多くを失い、多くの人々が命を失うかも知れない。

こういう話を読むと、燃費の悪いクルマに乗っている場合じゃないなぁ、と思う。 もうあと少し、子どもたちが経済的に独立したら、二酸化炭素排出量を可能な限り少なくするような暮らしにシフトしたいと考えている。

サイエンス・イン・ピクチャー ニューヨークのTライン

A. クチメント

カルテから探すベストな治療法

S. ベグリー

科学的に最も確実な臨床試験……ランダム化比較試験は、時間も費用もかかる。 それだけでなく、「治療・観察」することによる医療の現場との乖離も指摘されている。

それに対し、電子カルテをデータベースとして使う比較効果分析なら、短期間に効果的な治療方法が見つかるという。

蚊よけの新戦術 嗅覚をだませ

J. R. カールソン/A. F. ケアリー

ワシが居ると、ほかの家族は蚊に刺されない。 たぶん、ワシが放出している物質のうちのどれかが、蚊にとってものすごく魅力的なのだろう。

蚊にとって魅力的な物質が何かを確かめ、その物質を用いて蚊を誘引すれば、マラリアなどの蚊が媒介する伝染病を予防できる。


*1 何だコリャ?/コウガイビル」参照。
*2 炭酸カルシウムの殻を持つアメーバのような単細胞生物。「星の砂」は有孔虫の抜け殻。

FrontPage   編集 凍結 差分 バックアップ 添付 複製 名前変更 リロード   新規 一覧 単語検索 最終更新   ヘルプ   最終更新のRSS
Last-modified: 2011-09-07 (水) 22:34:50 (2840d)