第六章 やわらかい分子機械
まとめ 〜 不確定分子モーターとしての筋肉
2006/08/29  

熱ゆらぎを取り込み、巧みに利用する分子スケールの仕組み。 もし不確定分子モーターが実在するならば、それは生体の中に見出されるに違いない。 幾つかの実験結果は、筋肉が熱ゆらぎを利用しているということを示唆している。 特に、筋肉の出力が確率的な挙動を示すという観測結果は、筋肉が不確定分子モーターの原理を応用している有力な証拠であろう。

あるシステムが熱ゆらぎを扱う方法には、大別して以下の2つがある。

1:硬い機械
  熱ゆらぎは排除すべき邪魔な雑音。
  出力は「本来あるべき正確な値±ゆらぎの誤差」
2:やわらかい機械
  熱ゆらぎを与えられた資源として利用する。
  出力は「不確定」
果たして筋肉は「硬い機械」なのか「やわらかい機械」なのか、現時点ではまだ決着が付いていない。

「やわらかい機械」という立場から筋肉の挙動を説明するため、これまで幾つかのモデルが提案されてきた。 代表的なモデルとしてファインマンズ・ラチェットをベースにしたものが挙げられる。 しかし、既存のモデルで熱ゆらぎの有効性をはっきりと示せたものはまだ無い。 ここにおいて、不確定分子モーターは熱ゆらぎの有効性を示す良いモデルとなり得る。 というのも、熱ゆらぎが出力に寄与するためには、出力が「不確定」となる以外に方法がないからだ。 出力エネルギーはATPからの入力エネルギーを越えない、という枠内で考える限り、「やわらかい機械」の立場から説得力のあるモデルは構築できないであろう。

不確定分子モーターの原理を応用すれば、熱ゆらぎによって出力を増大させることができる。 原理的には出力がATPの入力を上回ることさえ可能だ。 ただ、実際の筋肉ではATP由来の自由エネルギーに比して、熱ゆらぎ由来のエネルギーの大きさは比較的小さいようだ。 それは筋肉の出力パターンの様子から伺える。

筋肉の挙動を説明するモデルとして、本論では以下の仕組みを提案する。

1:ATPは直接運動エネルギーに変換されるのではなく、まず熱ゆらぎ観測装置の信号として利用されている。
2: 筋肉の周囲の熱ゆらぎは、筋肉を動かす源動力の一部となる。
3: 熱ゆらぎが、たまたま運動の目的の向きに合致したとき、「観測装置」が働いて実際に筋肉を動かす。
4:ATP由来の観測信号は、観測後に熱ゆらぎ由来のエネルギーと合わさって筋肉を動かす。
 つまり、筋肉の出力はATP由来のエネルギーと熱ゆらぎ由来のエネルギーの合計である。
5:筋肉が上のような不確定分子モーターの原理で動作しているのであれば、その出力は「不確定」になるはずだ。
特にステップ5:の主張が原理的には最も重要だ。 不確定分子モーターの原理とは、
  「出力が不確定な分だけ、熱ゆらぎをエネルギーとして利用することができる」
というものだ。 不確定分子モーターは、具体的な構造について何らかの指針を与えるものではない。 詳細な構造に立ち入らずとも、対象を1つのブラックボックスとして扱えるところに不確定分子モーターの普遍性と強みがある。 入出力のエネルギーと出力パターン数、即ち出力の有する情報エントロピーを測定することで、どれほど熱ゆらぎを有効利用しているのか、そもそも熱ゆらぎを利用しているか否かについての結論を導き出すことができる。 真に着目すべきは「情報の流れ」だったのである。

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