生態系循環の理解は極めて重要であるので、関連する諸側面ごとに論を進めることとする。
1) 生きているとは何か
生態系の循環を論ずる前に、まず生きているとは何かを考える必要がある。
生命の不思議は、自然界にはエントロピー増大の大法則がありながら、生命系のエントロピーは成長等により減少（あるいは非増大）し、エントロピー増大の法則を免れているかのように見える点にある。
ボルツマンは、早くも1886年の講演の中で、生命とは熱力学的現象であると見ていた。
また、シュレーディンガーは、1943年の講演で、「生物体は、負のエントロピーを食べて生きている」として、有名なネゲントロピー論を述べた。17）
生物学者ベルタランフィは、「物理学の法則は、生きている犬と病気の犬と死んだ犬との違いを弁別できない。
分子生物学の最近の成果を考慮してもやはり同じことである。物理学の教科書を開いて答えを求めても無駄である。」と述べるにいたったという。
これに対し、槌田は、上述の開放系の熱物理学の三つの基本式から、動物においても植物においても基本的には熱化学機関と変わらず、生命の本質は上述の循環にあるとし、ベルタランフィの問いに対して次のように答えている。18）
健康な生命とは、その体内に存在するすべての物質循環が正常に回転している状態である。病とは、循環のどれかが滞っている状態である。
死とは、基本的循環が止まってしまって、もはや回復しなくなった状態である。
養老孟司は、「生きている複雑なシステム」の理解については、これまでの科学が暗黙のうちに約束している要素還元主義的なアプローチでは限界があるとし、典型的な「生きているシステム」の不思議の回答として、代謝系、つまりいつも動いているが、いつ見ても同じという、クレブス回路をあげる。
生きものとは、多種のこのような代謝系の輪が、互いに共役した存在と見ることができ、この輪の集合が、回転しながら、栄養物を取り込み、老廃物である水や炭酸ガスを排出する。その全体をたとえば細胞と呼ぶとしている。１９）
この説明にエントロピーなる言葉は使われていないが、これは上記のベルタランフィの問いに対する槌田の答えと同じである。
まさに生命の本質は循環なのである。
この様に理解したとしても、一つの細胞を作れるというわけではないが、これが生きているシステムのとりあえずの正体であるとしている。
2) 二種類の低エントロピー物質の役割とカルノーサイクル
さらに勝木渥は議論を深め、生命エンジンにおける循環の原理①の資源の投入として、生命が取り入れる低エントロピーの物質は、二種類あるとし、「低エネルギーの低エントロピー物質である清浄な液体である水」と「高エネルギーの低エントロピー物質である炭水化物」であるとする。
そして、循環の原理②の廃物・廃熱の廃棄について、勝木は、「エントロピー放出の過程は二段階あるという把握が必要である」２０）とするが、筆者の理解で具体的に整理すれば次の通りである。
一般には、炭水化物を摂取するのは生きていくのに必要なエネルギーの摂取という形で理解される。
それを「高エネルギーの低エントロピー物質」の摂取と理解し、その化学エネルギーを、酸化によって、熱（エントロピーを持ったエネルギー）に変える。
その時のエントロピー増大の枠の中で、別に摂取した分散化し高い物エントロピー状態にある栄養素を、エントロピーの低い秩序立った生命組織に組み上げる。この過程でエントロピーは減少したように見えるが、二つの過程を併せてみればエントロピーは増大している。すなわち、この二つの過程は自発的に進む。これが第一段階である。
この考え方は、ピーター・アトキンス「エントロピーと秩序」のエッセンスである。
一方、炭水化物の酸化による熱の発生プロセスは、温度が上がれば上がるほど反応が進むという正のフィードバック機能を有しており、炭水化物が供給される限り急激に反応が進む。
そのまま放置すれば高熱で焼け死ぬこととなり、生存するためには冷却過程が不可欠となる。
この冷却過程は、体外への直接放熱とともに、体内に取り入れた低エントロピーの水を高エントロピーの水蒸気に変化させ（熱を吸収）その水蒸気を体外に放出することにより進行する（植物であれば蒸散過程）。これが第二段階である。
この過程で、水は生命体の維持に決定的に重要な役割を果たす。
即ち、水は生命体を冷却すると同時にその過程を通じ増大したエントロピーを体外に排出するキャリアーとしての役割をはたす。
そして、体外に排出された水と水蒸気に含まれるエントロピーは、前述の地球の水循環に組み込まれて、地球外へ捨てられるのである。
勝木渥は、このプロセスにおける水の重要性の認識の淵源を、熱力学の端緒を開いたとされるカルノーサイクルにあるとする。
勝木の著書「物理学に基づく環境の基礎理論」の裏カバーにサジ・カルノーの言葉が引用されている。
「動力を得るためには、熱を作り出すだけでは不十分である。冷たさも供給しなければならない。
冷たさなしには、熱は役に立たないのです」。勝木が指摘しているように、水は生命体という熱機関において、「カルノーサイクルにおける低温熱溜」の役割を果たしている。２１）
眼から鱗が落ちるとはこういうことを言うのであろう。まさに正鵠を射ている。
ちなみに、雑誌ニュートンの昨年７月号の特集テーマは、「生命とは何か」であるが、生命が取り入れるのは二つの低エントロピー物質であるという視点はなく、従って、「低温熱溜」としての水の重要性についての論及は残念ながら全くない。
3) 光合成における水の役割 灌漑の物理学的意味 シュレーディンガーの誤解
光合成の化学式は次のとおりである。
CＯ2+H20+ｑ=1/6[CH2O]+O2
ｑ＝111.7kcal/mol
1/6[CH2O]は、ブドウ糖1/6モル
この両辺のエントロピーを計算すると、左辺よりも右辺のほうが小さくなる。
これは一見するとエントロピー増大則に反する。このことから、量子力学の大家であるシュレーディンガーは、かの有名な著書である「生命とは何か」のなかで、生命とは負のエントロピーを食べていると説明した。
槌田敦の提唱する、横方向は生産、縦方向は消費を示すエントロピー論的反応式により、上記の光合成式を示せば次のとおりである。２２）
水＋ｑ
CＯ2+H20+Q→↓→1/6[CH2O]+O2
水蒸気（蒸散）
この式から計算される水の必要量は22.9molであり、余分に必要な光はq=240kcalである。
エントロピーを計算すると、反応前は466 cal/deg、反応後は1090cal/degとなり、エントロピーは増大している。
つまり、光合成の過程において、植物体は、ブドウ糖の生成に必要とされる以上の大量の水を、葉孔から水蒸気という形で放出することにより、エントロピーを外に放出しているのである。
これより灌漑技術者の一人である筆者は、灌漑用水の果たす役割の中でもっともbasicな機能とは、植物体の生命維持活動により不断に増大するエントロピーを、蒸散作用を通じて植物体の外に放出することにより、植物体の熱死を免れさせていることではないかと、目から鱗が落ちるような結論に至った。
農業土木技術者にとって、植物体に所要の水を供給する灌漑とは極めて当たり前のことであり、筆者はその意味をそれまで考えたこともなかった。
このように考えることにより、灌漑の物理学的意味を改めて認識した次第である。
さらに、一トンの小麦の生産に千トンの水が必要とされるといわれる根拠はまさにここにあると理解することもできよう。
また、この光合成プロセスは、生命体の中で燃焼することにより高エントロピー化した炭水化物の再生プロセスであり、
地球の物質循環の一環でもあると、認識することも重要である。
4) 環境とは何か 生態系とは何か
勝木渥は、
「低エントロピーの物を生命に供給して高エントロピーの物を生命から受け取るという機能を生命系に対して持った外界」、これを環境と定義する。
そして、エントロピーを汚れとすれば、「生命は、自分が生きていくとき、生きていく（＝いわば、自分が清浄（きれい）になる）こと以上に、もっと環境を汚すことによって、つまり、生命系でのエントロピー減少量を上回るエントロピーを環境に排出して、環境のエントロピーを増大させる（＝環境を汚す）ことによって、生きていくことができる」としてこれを、科学的な環境理論の出発点とする。
そして、この生命体と環境との関係を踏まえ、勝木は、「環境の階層的多重構造が、「必然的に」「論理的に」結論される」とする。２３）
これは、上述の循環の原理④の入れ子構造としての複合循環である。
土壌の中を念頭に、筆者の理解でもう少し具体的にいえば、土壌中の小動物や微生物は、高エネルギー低エントロピー物質を取り入れ、低エネルギー高エントロピー物質を排泄する。
この排泄物を利用する次の微生物にとって、この排泄物は、高エネルギー低エントロピー物質として機能し、その後、新たな低エネルギー高エントロピー物質が排泄される。
この連続したプロセスの最終的な排泄物は、根から植物体に吸収される。
このように「一連の高エネルギー低エントロピーの物質の利用の連鎖によって、時間的な同調を伴って、循環的に繋がっている広汎な共生の体系が生態系である」。
5) 物エントロピーを熱エントロピーに変換するメカニズム・・生命の役割
物エントロピーは地球の重力に拘束されて地球外に放出することができない。
従って、上述の地球のエントロピー放棄のメカニズムに乗せて、物エントロピーを地球外に放出するためには、何らかの形でその物エントロピーを熱エントロピーに変える必要がある。
槌田は、物エントロピーを熱エントロピーに変換するこのメカニズムについて、あまりにも自明であったのか、詳細に論じていない。
次のように述べているだけである。
「地表における最大の物エントロピーの発生者は、動植物である。動物の排泄物および動植物の遺体は、毎年、地表を覆い尽くしてしまう。
しかし、小動物、そして微生物は、適度の水分を用いてこれらの排泄物や遺体の分解者として互いに協力しながら最終的には簡単な無機物に変えている。
この時、物エントロピーは熱エントロピーに変わったのである。そのことは、堆肥発酵中に発熱していることによって、簡単に理解されるであろう。
そして、その熱エントロピーは、水の蒸発で水蒸気になり、水循環へ渡されているのである」。24）
槌田にとっては自明であるのかもしれないが、筆者にとっては極めて理解し難かった。
上記の環境の階層的多重構造と生命体による二段階のエントロピー放出過程とを理解することにより初めて、物エントロピーから熱エントロピーへの転化過程を理解することが、筆者にとって可能となった。
環境の階層的多重構造の最終的な排泄物は、動植物に吸収可能な栄養素となり、植物であれば根から、動物であれば腸の繊毛から吸収される。
この栄養素は、物エントロピーとしてみれば、分散化された状態であるからエントロピーが高い状態である。
この生命体に吸収された栄養素は、上記4.(2)のプロセスを経て、一方において、栄養素の中の化学エネルギーを酸化することにより熱エントロピーに変化し、他方、その増大の枠内で、エントロピーの低い秩序だった生命組織に組み上げられる。
そして、その熱エントロピーは、直接放熱により、あるいは水に吸収（水蒸気化）されて、体外に放出される。
これが物エントロピーから熱エントロピーへの転化過程であり、このように理解することにより初めて、槌田の言う「堆肥発酵中に発熱していることによって、簡単に理解されるであろう」というプロセスの理解が可能となる。
勝木渥によれば、動物の消化管の中においては、酵素と微生物の働きにより、土壌の中と同様なプロセスが生じていることから、動物は土壌を消化管の中に取り入れているとしている。２５）炯眼である。
このようにして、この転化過程のコアは、上記で論じたように、まさに生命が生きていることそのものであると理解できる。
この転化過程が地球を熱死に至らしめないために不可欠であるとすれば、このような生命によるエントロピーの転化過程をbuilt-inしていない科学技術は、地球環境の保全という視点からsustainableな技術とは言えないということになろう。
「農の営み」を体系として内包している農業土木技術は、その意味で、まさに21世紀の科学技術のひとつであるといってよいであろう。
6) 水と土の重要性
このように理解すれば、生態系の基幹をなしている土壌は、生命が棲息する場として、また、そのことにより物エントロピーを熱エントロピーに変換する場として、また、地球の物質循環の一つの環を構成している場として、極めて重要な役割を果たしていることが理解できる。
一方、水は、川や湖や海などという場に動植物が棲息していて、土壌と同様の役割を果たしているほか、前述したように生命という熱機関において「カルノーサイクルにおける低温熱溜」という重要な役割を果たしている。
さらにまた水は、上述したように、地球の水循環として、地球という熱機関を構成するひとつの「作動物質の循環」という重要な役割を担っており、地球外への熱エントロピー放出の主役となっている。
中澤 明 H26.9.11
