「量子力学で生命の謎を解く」について

理論物理学者で、サリー大学の教授を務めるジム・アルカリ―リと分子生物学者で、サリー大学で教授を務めるジョンジョー・マクファデンの共著である本書についての感想を書くことにする。

量子生物学とは？

　本書のタイトルである「量子力学で生命の謎を解く」(解き明かす）分野が量子生物学だ。20世紀に発展した量子力学は、現在多くの技術に応用されており、普段使っているスマートフォンや、ちょうど今「note」で文章を売っているパソコンも量子力学がなければ、存在し得なかったものであるし、太陽の核融合も起きないため、人類はおろか、生命が誕生することはなかった。（そもそも水素以外の原子ができない）。
　量子生物学という学問分野を聞いたことがない人が多いだろう。それは比較的最近できた学問分野であるからだ。ではなぜ量子力学と生物学を結び付けてこなかったのだろう。端的に言えば、生物はマクロな物体であるからであり、量子的な性質は生命現象にはほとんど関与しないと考えられてきたからだ。量子的な性質が顕著に現れるのが、原子や分子サイズであり、生物はそれよりずっと大きい。また、生体内は温度が高い、すなわち熱運動が激しく分子同士がランダムに動き回っているため、量子的な性質は現れなくなる。ではなぜ量子力学的な性質が現れるのか。それは近年の研究のよると、本来は周囲の環境により量子的な性質が消されるが、生物は逆に周囲のノイズ（振動）を利用して量子コヒーレント状態（これについては後述する）を維持するのだという。
　本書では量子力学が関与している生命現象として、鳥の渡り、酵素反応、呼吸や光合成、嗅覚、遺伝を取り上げている。さらに関与しているかもしれないものとして、心、生命の起源、生や死ということについても触れている。

トンネル効果、量子もつれ、重ね合わせ、コヒーレント

　本書でよく登場する用語としてこの4つがある（ほかにもいくつか同じぐらい登場するが）。いずれも量子力学で重要な概念である。
　重ね合わせは、量子が同時に複数の状態を取ることができるという性質で有名な思考実験としてシュレーディンガーの猫があり、観測していない時は生と死が重なり合った状態になり、いかに奇妙かが分かる実験である。量子の世界がいかに奇妙かを示している。もちろんネコというマクロな物質に当てはめているため現実では起こりえないが。
　トンネル効果は先ほど挙げた核融合が起こる理由としてあげられる。太陽の中心では水素原子核（陽子）が核融合しているが、陽子と陽子は正の電荷をもっており、近づくほど斥力が強くなり、乗り越えることができないポテンシャル障壁が存在する。古典物理学ではそれらが衝突し融合することは起こりえないが、トンネル効果によりポテンシャル障壁を乗り越え、核融合反応が起こる。それには不確定性原理と波動と粒子の二重性が関与している。つまり量子は、位置と運動量を同時に決められず、量子の位置はポテンシャル障壁の向こう側にも存在する確率があるためだ。
　コヒーレントとは、量子的な性質が現れている状態で、波動や同時に2つ以上の状態をとったりできることである。それに対しデコヒーレンスとは、周囲との干渉などにより量子的な性質が失われ、古典的な性質しか示さなくなった状態である。
量子もつれは、2つの粒子がもつれ状態にあるとき、2つの粒子がどれだけ空間的に離れても、一瞬で情報が伝わることである。例えば2個の量子もつれ状態にある粒子が「上向きスピン」と「下向きスピン」の重ね合わせ状態にあるとする。２つの粒子を宇宙の端と端に置いたとする（ここでは宇宙の端がどこかは考えない）。一方の粒子が上向きスピンだと観測されると、その瞬間もう一方の粒子は下向きだと決まる。
　

本書で登場する量子力学が重要な役割をしている（かもしれない）生命現象

・鳥の渡り→　量子もつれ
・酵素作用→　トンネル効果
・呼吸　　→　トンネル効果
・光合成　→　トンネル効果
・嗅覚　　→　トンネル効果
・遺伝　　　
・(心)
・（生命の起源）
・(生と死）

＊（）は関与しているかもしれない生命現象。
＊→の右側は関与している量子力学の性質。
＊遺伝については、塩基同士の結合（AとT,GとC)は、なぜこのペア動詞化というと各塩基が持つ陽子の位置が水素結合するのにちょうどよい位置にあるためである。陽子は量子の性質を示すため遺伝に量子力学が関与するといえる。
　しかし突然変異に関しては、陽子の位置が不確定なためトンネル効果を起こし、エラーを起こすと考えられるが、まだ量子力学が関与しているとは言えない。

本書の構成

　この本は10章とエピローグからなっており、まず生物とは何かということについて触れ、そのあと量子力学の奇妙な性質を述べる。そして上で挙げたような量子力学が関与する様々な現象について説明する。最終章では最近の量子生物学の進展と、これまで述べた量子生物学を用いることでより実現に近づくかもしれない人工生命について述べている。

読み終えてみて

　私は量子生物学という名前は聞いたこと、どのような学問分野なのか全く知らなかった。やはり量子力学と生物学が結び付くということはイメージしにくい。量子力学は物理学の一分野であるが、物理学はこれまで化学との結びつきが強く、生物物理学という分野もあるが生物と物理の融合分野はなじみが薄い。生体反応は化学反応であり、生物と化学の結びつきは昔からあったため、三段論法で考えれば生物は物理と関連があるということになる。
　さて、本書では読者に分かりやすく説明するために、例えを多用している。しかし私にとってはそれがかえって分かりにくく(筆者との文化的な違いもあるかもしれないが）、例えと説明が混じっているところではかえって混乱してしまった。ただそれは例えを無視すればよいことだし、理解度が高まればなぜその例えを使ったのかが分かるかもしれない。
　量子生物学という生命現象を奇妙な性質を示す量子力学で説明するという新しい切り口が大変興味深かった。専門用語も多く、一般向けとはいえ理解できない箇所が多々あったがそれでも非常に楽しめる内容だった。さらに知識をつけてから読んだらより楽しめる内容だと思う。　
　最後に本書の内容とは関係ないが、量子生物学のような今まで結び付けてなかった学問分野が融合することが近年は多いように思える。それは学問が成熟するほど様々な分野の知識を使わなければ解明できないことが増え、そうすることで新たな可能性が生まれ学問はさらに発展していく。研究者でなくても様々な分野に興味を持つことがこれからますます重要になってくると感じた。