NPU：究極の生命単位①序章

↓の論文翻訳。生細胞活動の統合理論を構築したギルバート・リンによる「会合誘起仮説」「ナノ-プロトプラズムユニット」を論述した文献。長いのでシリーズ化する。

Ling, G. (2007). Nano-protoplasm: The ultimate unit of life. Physiological Chemistry and Physics and Medical NMR, 39(2), 111–234. https://gilbertling.org/pdf/PCP39-2_ling.pdf

要約

19世紀科学の最も有望な成果には「無機の世界の支配法則が生物界にも適用される」こと、そして生命には通称「プロトプラズム Protoplasm(原形質)」という物理的基礎があるという認識であった。だが当時提唱された原形質の定義は(不可避だが)誤りであり、後世の研究者、教育者、数々の意見形成者の圧倒的大多数にその構想を否定させる正当な根拠を与える事態を招いた。生命の物理的基礎が否認された結果、生命自体もまた説明不可能なものとして葬り去られてしまった。

しかしその後、原形質をより合理的に定義する為に必要となる物理・化学の関連領域の知識が整い、1960年代初頭には「会合誘起仮説 Association-Induction Hypothesis(AIH)」という生細胞の統一理論を構築するにまでに到達した。歴史的観点では、AIHは生命の物理的基礎たる原形質構想の後継となるものである。。。譬えその当初の定義が誤りだとしてもである。

AIHでは、生命の本当の(究極的な)物理的基礎は、嘗ての原形質論者が想像したものとは異なる。彼等が生命の物理的基礎に位置付けた観察物は、ある特定の種類の「マクロ macroscopic原形質」であった。だがAIHでは、生命の最小単位(物理的基礎)は「ミクロ microscopic原形質」「ナノ原形質 nano-protoplasm(NP)」であり、マクロ原形質は総じてこのNPの構築物である。

またAIHは、「生命とは何か」との問いに基本的な物理化学法則による新たな定義を提供した。NPは、「それが何か」「何をするか」で定義される。具体的には、以下三要素で定義される。

(i)124頁の式①で表される化学組成

$${NP = (A_lB_mC_n.... Z_1) (H_2O)_{a×1000} (K^+)_{b×10} (ATP)_c}$$ …①

(ii)125頁の図5で図解される、成分間の空間的およびエネルギー的相互関係

(iii)142頁の式⑤に則るような、これらの成分が静止 resting状態と活性 active(死 dead)の状態のいずれか2つの状態に秩序を維持したまま存在できる能力

$${[p_i]_{ad} = \frac{[f]}{2}[1 + \frac{ξ-1}{\sqrt{(ξ-1)^2 + 4ξexp(γ/RT)}} ]}$$・・・⑤

本総説では、AIHに基づく電子的および分子的メカニズム についても説明されている。これには、

●構成要素の秩序ある集合体としての維持
●生命状態の維持
●静止状態と活性(または死の)状態間の自律的協同変化

などが含まれる。

理論的な説明が終わると、本総説では過去40年以上にわたる(さらにはAIHが知られる以前の)実験的検証について述べている。これらの実験は、大きく以下の2つのカテゴリーに分けられる。

1．純粋な化学物質から作られた超単純なNPモデルを用いた実験(p.124 の方程式1に従って調製)

結果は、図5に示されるような定性的な挙動を示し、方程式5の法則にも定量的に従うことが示された。

2．生細胞の一部としてのNPを用いた実験

これは細胞生理学における4つの古典的な機能を対象に行われた

(1)溶質と水の分布
(2)溶質と水の透過性
(3)細胞の静止電位および活動電位
(4)細胞の膨潤および収縮

結果として、生細胞内のNPもまた、図5に示される定性的な挙動を示し、方程式5に定量的に従うことが確認された。

本総説の最後では、AIHに基づくNPの概念が、生命の最も基本的な単位としてどの程度説得力を持つかについて、実験データの蓄積を基に議論している。

1839年、ドイツの動物学者のテオドール・シュワン(1810-1882)(…と、マティアス・シュライデン(1804-1881))が「動物と植物の構造と成長に一致する顕微鏡研究 Mikroskopische Untersuchungen über die Übereinstimmung in der Struktur und dem Wachstum der Tiere and Pflanzen」[1-3]と題した論文で細胞理論を導入し、この理論曰く、動物も植物も同様に細胞という基本単位で構築される。

[1]Schwann, T. (1839) Mikroscopische Untersuchungen über die Übereinstimmung in der Struktur und dem Wachstum der Thiere and Pfanzens, Engelmann, Leipzig.
[2]Schleiden, M. J. (1838) Beiträge zur Phytogenesis. Müller Arch Anat. Physiol. wiss. Med (no volume number) p. 137. Transl. In Sydenham Soc. (London)(1847).
[3]Smith, H. (1847) Microscopical Researches into the Accordance in the Structure and Growth of Animals and Plants, printed for the Siedenheim Society. Reprinted by Kraus Reprint Co., New York in 1969.

同じ論文の中で、シュワンは、後に膜理論で名が通るものの本質を示唆しており、所謂、植物細胞も動物細胞も膜で被覆された空洞であり、透明な液体の水で充満している[4]、という構想である。シュワンが論文で導入した第三の概念は、細胞膜に備わる「代謝力 metabolische Kraft」であり、これは細胞内外の溶液中の化学成分を制御している[5]。このアイデアは後に「膜ポンプ仮説」として知られることになる[6]。

[4]Schwann 1839, p. 198, (Endnote 1も参照)
[5]ibid., p. 194, p. 198.
[6]Ling, G.N. (2007) History of the membrane (pump) theory of the living cell from its beginning in mid-19th century to its disproof 45 years ago — though still taught worldwide today as established truth. Physiol. Chem. Phys. & Med. NMR 39:1.
　PDFリンク：
　・[Physiological Chemistry and Physics and Medical NMR]
　・[Gilbert Ling Legacy Site →Other Scientific Articles 10]

シュワンによる細胞理論の導入は細胞生理学の歴史における象徴的な出来事であった。それだけに、彼はこの栄誉に値する。 とはいえ、シュワンと同時期に、あるいはそれ以前に、同様の考えを進めていた他の4人の研究者も評価されなければならない。 オーケン Oken (1805年)[7]、デュトロシェ Dutrochet(1837年)[8]、プルキンエ Purkinje(1834年)[9]、ヴァレンティン Valentin(1836年)[10]である。

[7]Oken, L. (1805) Die Zeugung, Bambergu; Wirzburg; J. A. Goebhardt.
[8]Dutrochet, H. (1837) Mémoir pour servir a l’hitoire anatomiques et physiologiques des végetaux et des animaux, BailliPre, Paris.
[9]Harris, H. (1999) The Birth of the Cell, Yale Univ. Press, New Haven, London.; p. 86
[10]Valentin, G (1836) Nova Acta Phys-Med. Acad. Caesar. Leopold-Carolinae, Nat. Curios 18: 51.

シュワン＆シュライデンの原著論文にある慎重な研究を紐解くと、彼等の細胞に関する解剖学的・生理学的構想は、彼等が犯した一連の誤りに基づくことが判明する[11]。この誤りは、当時の顕微鏡の解像度の限界がその一端を担っている。だがシュワンには、自説に矛盾する観察に対応すれば修正も可能であった。しかし彼はそうしなかった。ベルリンで「細胞説」事業に5年(1834～1839)を費やし、ベルリンを去った1839年以降も自説や関連する構想を修正することはなかった[12]。

[11]Ling 2007, pp. 7–9.
[12]Rothschuh, K.E. (1973) History of Physiology. R.E. Krieger Publi. Co., Huntington, NY; Malabar, FL.; p. 345. 

このような欠点の一方、シュワンの書籍は「ほぼ満場一致の喝采による大合唱」に包まれた[13]。更に、この書籍はドイツ国内の教科書に採用され、目立った批判も質問も受けなかった。聖なる子牛が誕生する条件が整いつつあった。

[13]Harris, H. (1999); p. 106.