エントロピーが増えるのに、なぜ生き物は秩序を保てるのか？

芽が伸びて、新しい葉ができる。傷ついた体が修復される。生き物は、まとまりのある構造を作り、保ち続けています。一方で、「エントロピーは増える」とも聞きます。この二つは、どう両立するのでしょうか。

以前のエントロピーと時間の矢の記事では、混ざったものが普通は元に戻らない理由を考えました。今回は、生き物のどこまでを一つのまとまりとして数えるのか、という話です。

第二法則の話は、皮膚の内側で終わらない

熱力学第二法則では、孤立系のエントロピーは減らないとされます。孤立系とは、周囲とエネルギーも物質もやり取りしない系のことです。周囲とのやり取りがあるものを考えるときは、関係する周囲も含めてエントロピーを数える必要があります。MITの熱力学教材でも、この区別を説明しています（英語）。

これを「どの部分も、必ず見た目が散らかっていく」と言い換えると、話がおかしくなります。エントロピーは物理量であって、葉や部屋の見た目の整い方につける点数ではありません。

境界をまたぐ矢印を探してみる

生き物は、エネルギーや物質が境界を出入りする開放系です。日光や化学的な供給源から利用できるエネルギーを取り込み、熱や不要な物質を周囲へ出します。体内の反応でもエントロピーは生じます。整った体を保つには、こうしたやり取りが必要です。内側に残っているものだけを眺めても、生き物の熱力学的な収支は分かりません。UCLAの教材の「Entropy and life」節が、この収支を説明しています（英語）。

生き物が第二法則との戦いに勝つ必要はありません。生き物と周囲を合わせたエントロピーが増える中でも、局所的なまとまりは保てます。これは、成長する生き物自身のエントロピーが、ずっと下がり続けるという意味でもありません。

地球にも、入る矢印と出る矢印がある

地球には太陽からの放射が入り、反射した日光や地球が放出する赤外線によって、エネルギーが宇宙へ出ていきます。NASAの放射収支の解説で、このやり取りを確認できます（英語）。写真では一つの完結した球に見えても、周囲とエネルギーをやり取りしているわけです。

ただし、これで生命の誕生の全過程が説明できたわけではありません。エネルギーさえ供給すれば、必ず生命になるという話でもありません。ここでの答えは、まとまりを保つために必要なやり取りも含めて考えれば、局所的な秩序と第二法則は矛盾しない、という範囲です。

SFの小さな謎：熱の出口がない庭

ここからは、架空の思考実験です。宇宙船の庭には、照明、養分の供給、物質を再利用する仕組みがそろっています。ある技師が「エネルギーがもったいないから」と、熱の出口を全部閉じようと提案します。乗員は、それでも庭が今までどおり動くことを期待しています。

それが成り立つか考える前に、庭へ供給したエネルギーの行き先を追ってみます。入り続けるエネルギーが、どの形でも外へ出られないなら、同じ状態のまま運転を続けることはできません。どこかにエネルギーが蓄積するからです。植物に養分があるかだけでなく、熱をどこへ逃がせるかも、物語の問いになります。

この架空の庭は、『BOZWARZ』の設定や場面ではありません。生命を物理法則の例外にするのではなく、境界と、その内外を行き来するものから、SFの問題を組み立ててみるための例です。

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