生命が陸上で始まったのか、それとも海中で始まったのかについて、生物学者と化学者の間で議論が沸騰しています。 レイチェル・ブラジルがその議論に注目します

「生命はどのように始まったのか」という問いは、「生命はどこで始まったのか」という問いと密接に関連しています。 いつ」については、ほとんどの専門家が38億～40億年前という点で一致している。 しかし、この出来事を育んだ可能性のある環境については、まだコンセンサスが得られていない。 深海の熱水噴出孔が発見されて以来、生命誕生の場所として、特に大西洋中部の「ロスト・シティ」フィールドで見つかったようなアルカリ性噴出孔が提案されてきた。 しかし、誰もが生命が海で誕生したと確信しているわけではありません。多くの人は、化学的な説明がうまくいかず、陸上で誕生した場所を探しているのです。 9129>

1977年、東太平洋海嶺の中層に、最初の深海熱水噴出孔が発見された。 ブラックスモーカー」と名付けられたこの噴出口は、地熱で加熱された400℃までの水を放出し、大量の硫化物が冷たい海と接触して沈殿し、黒煙となる。 その後、2000年に、海洋中央部の海嶺から少しずれたところに、新しいタイプのアルカリ性深海熱水噴出孔が発見された。 ロストシティと呼ばれる最初のフィールドは、大西洋中部の海底アトランティスマシフ山で発見された。

ベントは、蛇紋岩化として知られるプロセスによって形成されている。 海底の岩石、特にカンラン石（マグネシウム鉄ケイ酸塩）が水と反応し、大量の水素を発生させるのである。 ロストシティでは、温かいアルカリ性の液体（45～90℃、pH9～11）が海水と混ざると、高さ30～60mの白い炭酸カルシウムの煙突ができる。

実際にアルカリ性ベントが発見される以前の1993年に、米国カリフォルニア州のNasaのジェット推進研究所（JPL）の地球化学者のマイケル・ラッセルは、こうしたベントで生物が誕生した可能性を示唆した(注1)。 2003年に更新された彼のアイデア2 は、アルカリ性の噴出孔の水がより酸性の海水と混ざるときに存在するエネルギー勾配（初期の海は現在より多くの二酸化炭素を含んでいたと考えられている）を利用することによって生命が誕生したことを示唆しています。 細胞は、膜を隔ててプロトンを送り込み、内側から外側へ電荷の差を作り出すことによって、プロトン勾配を維持する。 プロトン起電力として知られ、これは約3pH単位の差に相当する。

ラッセルの理論によると、熱水噴出孔のチムニーにある孔が細胞のテンプレートとなり、噴出孔と海水を隔てる相互に連結した噴出孔微細孔の薄い鉱物壁を越えて、同じ3pH単位の差が生じるという。 このエネルギーと、触媒となる鉄ニッケル硫化鉱物が、二酸化炭素の還元と有機分子の生成を可能にし、次に自己複製する分子、そして最終的には独自の膜を持つ真の細胞を生み出しました。

化学庭園

JPL の研究科学者でもある化学者のローラ・バージは、化学庭園（学校で行ったことがある実験）でこの理論の検証を行っています。 自己組織化化学系を専門とするBargeは、化学庭園を見ると「生命だと思うかもしれないが、絶対に違う」と言います。 古典的なケミカルガーデンは、反応性の高いケイ酸ナトリウム溶液に金属塩を加えてつくられる。 金属塩とケイ酸塩のアニオンが沈殿し、金属塩を包むゼラチン状のコロイド半透膜が形成される。 これは、中空の植物のような柱を成長させる原動力となる濃度勾配を設定します。

私たちは、ベント液と海洋で得られるかもしれないものをシミュレートし始め、小さな煙突を育てることができました。 初期の海を模倣するために、彼女は鉄分を多く含む酸性溶液にアルカリ性溶液を注入し、水酸化鉄と硫化鉄の煙突を作りました。 これらの実験から、彼女のチームは、4つの庭から1ボルト弱の電気を発生させることができることを示しましたが、LEDに電力を供給するには十分です。

英国のユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの生化学者Nick Laneも、「生命の起源」リアクターで、前生物学的地球電気化学システムの再現を試みています。 彼はラッセルの説を支持しているが、よく言われる『代謝が先』というレッテルには不満である。これは、複製するRNA分子の合成が生命への第一歩であったとする『情報が先』説に対抗するものである。 両者は対立しているように描かれていますが、私はそんなことは馬鹿げていると思います」とレーンは言う。 私が思うに、私たちは、どのようにして淘汰され、ヌクレオチドのようなものを生み出すことができる世界に到達したかを解明しようとしているのです」

レーンは、地球化学と生化学がいかに密接に一致しているかによって説得されました。 例えば、グレイガイト（Fe3S4）のような鉱物がベント内で見つかり、それらは微生物の酵素に見られる鉄-硫黄クラスターと何らかの関係を示している。 これらは、二酸化炭素を水素で還元し、有機分子を生成するための原始的な酵素として作用していた可能性があります。 障壁が厚いなどの違いはありますが、類似性は非常に高いので、「これらの自然のプロトン勾配が、水素と二酸化炭素の反応の障壁を破壊することは可能なのだろうか」という疑問になります」

レーンのベンチトップ型オープンフロー生命の起源反応器4は、熱水噴出孔条件をシミュレートしています。 半導体の鉄ニッケル硫黄触媒バリアの片側には、ベント流体を模擬したアルカリ性の液体が、もう片側には海水を模擬した酸性の溶液が送り込まれる。 流量だけでなく、温度も両側で変化させることができる。 膜の向こう側では、「最初のステップは、二酸化炭素を水素と反応させて有機物を作ることであり、その方法でホルムアルデヒドの生産に成功しているようです」とLane氏は言います。 彼らは、結果を再現し、見られるホルムアルデヒドが、チューブの劣化など、他の原因によるものではないことを証明するために取り組んでいます。 Lane氏によると、同じ条件から、反応器だけで生成されるホルムアルデヒド濃度ではないものの、ホルムアルデヒドから0.06%のリボースを含む低収量の糖を合成することもできたそうです。

クライン氏らは、1993年にスペインとポルトガル沖のイベリア大陸縁から掘削したコアのサンプルを調査していました。 サンプルは現在の海底から760m下の岩石から採取されたもので、初期の堆積していない海底から65m下にあったはずである。 彼は、その試料の中に、ロスト・シティの熱水系でも見つかった鉱物で構成された、珍しい形の鉱脈を見た。 この鉱物群は、熱水と海水が混ざった時にしか形成されないので、興味をそそられました」とクラインは言う。

これらの鉱脈は1億2000万年前のもので、クライン氏のチームは、化石化した微生物が含まれていることを発見しました。 彼は、ブルサイト（Mg(OH)2）という鉱物の乾燥特性が、微生物からの有機分子の保存を説明するかもしれないと示唆しています。 その中には、アミノ酸、タンパク質、脂質が含まれており、共焦点ラマン分光法によって同定された。 当初は懐疑的だったが、抽出したサンプルを分析したところ、ロスト・シティの熱水噴出孔系にも存在する硫酸還元菌や古細菌に特有の脂質バイオマーカーが確認されたとクライン氏は言う5。 SEM イメージングでは、「微生物のマイクロコロニーのように見える」（同氏）という炭素包有物が確認されました。 海底は、より保護された別の環境を表しています」

Landlocked

しかし、誰もが生命が深海熱水系で始まったことに同意しているわけではありません。 ドイツのオスナブリュック大学の Armen Mulkidjanian 氏は、この考えにはいくつかの大きな問題があり、その 1 つは、細胞に比べて海水で見られるナトリウムとカリウムのイオン濃度が相対的であるということです。 したがって、ナトリウムの 10 倍のカリウムを含む細胞が、カリウムの 40 倍のナトリウムを含む海水に起源を持つことは理にかなっていないと彼は述べています。 ムルキジャニアン氏は、原始細胞はナトリウムよりもカリウムが多い環境で進化し、環境が変化したときに不要なナトリウムを除去するためのイオンポンプを開発したに違いないと考えています

ロシア極東のカムチャッカ地熱地帯のような地熱システムから、生命が誕生した可能性があると考えています。 私たちは、ナトリウムよりもカリウムが多い条件を見つけられる場所を探し始め、唯一見つけたのが、地熱システム、特に地中から蒸気が出ている場所でした」と彼は説明します。 カリウムがナトリウムより多いのは蒸気噴出孔からできたプールだけで、地熱の液体噴出孔からできたものは依然としてカリウムよりナトリウムが多いのです。 このようなシステムは、今日、イタリア、米国、日本にほんの一握りしか存在しませんが、Mulkidjanianは、より高温の初期の地球では、もっと多くのものが期待できると示唆しています。

米国のカリフォルニア大学サンタクルーズ校のDavid Deamerは、50年以上にわたり高分子と脂質膜の研究を行っています。 彼は、「膜第一主義」とも呼ばれる、少し違った角度からこの分野に取り組んでいる。 しかし、彼は言う、『生命の起源を理解する最良の方法は、それが今日の生命と同じように、すべてが一緒に働く分子のシステムであることを理解することだと確信しています』。 9129>

深海が起源であることに対する最大の議論の1つは、非常に多くの高分子が生物学で発見されているという事実である。 DNA、RNA、タンパク質、脂質はすべて高分子であり、縮合反応によって形成される。 成分同士が混ざり合って相互作用する湿潤期と、水分が除去されてポリマーが形成される乾燥期があるのです」とムルキジャニアン氏は言う。 熱水噴出孔では、湿潤と乾燥のサイクルができないので、このようなことは起こりえないのです」とディーマー氏は付け加えた。 大陸の熱水鉱床では、湿潤と乾燥のサイクルが毎日繰り返されています。 9129>

40億年かけて自然淘汰が改良を思いつかないという仮定は、私は間違っていると思います

Deamer は、脂質と RNA 成分のアデノシン一リン酸およびウリジン一リン酸を混合し、研究室で独自の原細胞を作ろうとしています。 乾燥させると、脂質は自己集合して膜状の構造になり、ヌクレオチドが脂質層の間に挟まると、エステル化を起こしてRNA様ポリマーを生成する。 何度も湿式-乾式を繰り返すと、収率は50%まで上昇する。6

Deamer氏は、直接RNA配列決定技術により、「プロトセル」内部にこれらのポリマーが存在することを確認した。 生物学的RNAのサイズ範囲にある一本鎖分子が本当にあるのです」。しかし、Deamer氏は、それは生物にあるようなRNAではないと警告している。 彼は、自然界と同じようにリン酸基が結合したRNAと、「不自然に」結合したRNAの混合物を作り、「これらの小さな原細胞の中で選択と進化が行われたに違いない」と結論づけた

しかし、深海の熱水噴出孔派は、まだタオルを投げ入れる準備ができていない。 バルジは、噴出孔の環境は反応物質の濃縮と凝縮反応を可能にする可能性があると述べています。 海底にはゲルがあり、物を吸収する鉱物があり、膜自体にもゲルがあるので、システム全体が水性であっても、脱水反応条件ができる」

レーンはまた、カリウムやナトリウムイオンのレベルが将来の代謝プロセスを固定するかもしれないという考えに反発しています。 自然淘汰は40億年かけても改善することができないという仮定は、私は間違っていると思います」とレーン氏は説明します。 私の考えでは、淘汰が細胞内のイオンバランスを動かしているのです』。 彼は、生命はナトリウムが豊富な環境で進化し、時間をかけて現在のカリウムが豊富な細胞を作るイオン除去ポンプを開発することが十分に可能であっただろうと考えています。

光を見る

もう1つの論点は、紫外線（UV）の存在または不在です。 これは、初期の地球に保護的なオゾン層がない地球起源説では強い影響を与えうるが、深海説では全くない。 9129>

このことは、ケンブリッジにある英国医学研究評議会分子生物学研究所のジョン・サザーランドが2009年に提案した画期的なRNAの合成7、および2015年に提案した、シアン化水素（HCN）、硫化水素（H2S）および紫外線だけで始まる核酸前駆体の合成8も支持されることになる。 10日間にわたるUV光の照射は、生物学的ヌクレオチドの収率を濃縮し、その選択がUV光で有利であることに重みを加えました。 Mulkidjanianは、硫化亜鉛の沈殿物が紫外線を用いた二酸化炭素の還元の触媒として作用した可能性も示唆しており、彼は「亜鉛世界」シナリオと呼んでいる

しかしLaneによれば、「紫外線で進化する生命には大きな問題があり、今日の生命はエネルギー源として紫外線を使っていないということです – 生化学を促進するというよりは、分子を破壊しがちなんです」。 彼はまた、そのような地球規模の計画で提案された合成化学は、我々が知っているような生命には見えないと主張している。 シアン化物や硫化亜鉛の光合成から始まって、一種のフランケンシュタイン化学に行き着くのです」とレーンは言う。 化学はうまくいくかもしれないが、それを我々が知っているような生命と結びつけることは、不可能に近いと言える」

Disciplinary divide

よく見ると、地球起源を支持する人と海洋起源を支持する人の間の分裂は、分野間で分かれています。 合成化学者は一般に大陸起源を支持し、地質学者や生物学者は主に深海の熱水噴出孔を支持しています。 化学者は熱水噴出孔での化学反応は不可能だと主張し、生物学者は、提案された地球化学は生化学で見られるようなものではないだけで、地球化学と生化学の間のギャップを縮めることはできないと主張している

では、専門分野を統合する方法はあるのでしょうか。 現時点では、これらのアイデアの間にはあまり共通項がない」とレーンは言う。 Deamerも同意見である。 この時点で、私たちが言えることは、誰もが自分の考えに基づいて、もっともらしい判断をする権利を持っているが、その後、実験と観測のテストも行わなければならないということです」

小さな問題は解決できるだろう – それが、私が朝ベッドから出る理由です

必要なのは、点をつなぎ合わせて、生命が前生物界からどうやって、どこで始まったのかを説明できる、キラー級の証拠や実験なのである。 私たちが作っている何兆ものランダムなポリマーの中からリボザイムを見つけることができれば、本当に大きなブレークスルーになるでしょう」と、ディーマー氏は提案します。 リボザイムは、細胞のタンパク質合成装置の一部であるRNA触媒ですが、最初の自己複製分子の候補です。

深海熱水噴出孔における生命の起源を支持するさらなる証拠は、複雑な分子につながる代謝ステップのもっともらしいセットを示すことに集中しています。 JPLでは、Barge氏によると、アミノ酸がその化学的庭園でどのように振る舞うかを調べている。 私たちはアミノ酸を作り、それが煙突に詰まってしまうかどうか、そしてそれを濃縮してペプチドを作れるかどうかを見ています」

「問題や困難はあります」とレーン氏は認めている。 二酸化炭素を水素と反応させて、アミノ酸やヌクレオチドのようなもっと複雑な分子を作ることが本当にできるのでしょうか？ 私はそれができるとかなり確信していますが、まだそれを実証していないことは承知しています」。 その他にも、カルシウムやマグネシウムのイオン濃度が高い海水で脂質膜を安定化させることができるのか、などの難問がある。 しかし、レーンによれば、熱力学的駆動力という大きな問題は、熱水噴出孔によって解決されるとのことである。 もちろん、もう1つの可能性がある。それは、生命が地球上でまったく誕生していないという可能性だ。 パンスペルミア説は、生命が宇宙から飛来したという説で、一見風変わりに見えるが、誰もがそれを否定しているわけではない。 ディーマーによれば、「生命は実際に火星で始まったという議論ができる」そうで、それは火星が生命を維持できる温度まで最初に冷却されたからだ。 木星の衛星エウロパや土星の衛星エンケラドスは、どちらも氷の殻の下に海があるため、候補に挙がっている。 今後5年の間に、NASAはこの2つの衛星に探査機を送り、生命の痕跡を探す予定です。

1 M J Russell, R M Daniel and A J Hall, Terra Nova, 1993, 5, 343 (DOI: 10.1111/j.1365-3121.1993.tb00267.x)

2 W Martin and M J Russell, Philos. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci., 2003, 358, 59 (DOI: 10.1098/rstb.2002.1183)

3 L M Barge et al, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2015, 54, 8184 (DOI: 10.1002/anie.201501663)

4 B Herschy et al, J. Mol. Evol., 2014, 79, 213 (DOI: 10.1007/s00239-014-9658-4)

5 F Klein et al、Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2015, 112, 12036 (DOI: 10.1073/pnas.1504674112)

6 L Da Silva, M C Maurel and D Deamer, J. Mol. Evol., 2015, 80, 86 (DOI: 10.1007/s00239-014-9661-9)

7 M W Powner, B Gerland and J D Sutherland, Nature, 2009, 459, 239 (DOI: 10.1038/nature08013)

8 B H Patel et al, Nat. Chem., 2015, 7, 301 (DOI: 10.1038/nchem.2202)

本記事はChemistry Worldの許可を得て転載しています。 記事は2017年4月16日に初公開されました

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