地球上の最初の生命が、最大の脅威である水をどのように生き延びたか

来年2月18日、NASAの宇宙船は火星の大気中を急降下し、レトロロケットを発射して落下を止め、6輪のローバー「パーセバランス」を地上に降ろす予定です。 すべてが計画通りに進めば、このミッションは、かつて液体の水の湖があったかもしれない、地球の赤道近くの幅45キロの割れ目、ジェゼロ・クレーターに着陸します。

パーセバランスを応援する大勢の地球人の中で、ジョン・サザーランドは特に細心の注意を払っているはずです。 英国ケンブリッジにある MRC 分子生物学研究所の生化学者であるサザーランドは、NASA にジェゼロ クレーターを訪れるよう働きかけた科学者の 1 人で、火星と地球という生命の起源に関する彼の考えと合致しているからです。 多くの科学者が、それらの先駆的な細胞は海で発生したと長い間推測してきましたが、最近の研究では、生命の重要な分子とその中核となるプロセスは、小川が流れる比較的浅い水域であるジェゼロのような場所でのみ形成できることが示唆されました。 サザーランド教授らは実験室で、炭素系の単純な化学物質を穏やかに加熱し、紫外線を当て、断続的に乾燥させることで、DNAやタンパク質など細胞の中核となる成分を作り出してきた。 4294>

新たな証拠により、多くの研究者が、生命は海で誕生したという考えを捨て、代わりに、湿った場所と乾いた場所が交互に存在する陸上環境に注目するようになりました。 このシフトは満場一致ではありませんが、陸上での始まりという考えを支持する科学者たちは、水は生命にとって不可欠であるにもかかわらず、生命の中核的な構成要素にとっては破壊的でもあるという、長年認識されてきたパラドックスに対する解決策を提供すると述べています。 「4294>

原始のスープ

生命の標準的な定義はありませんが、ほとんどの研究者は、生命にはいくつかの構成要素が必要であることに同意しています。 ひとつは情報を運ぶ分子、つまりDNAやRNA、あるいはその他のものです。 進化の種である間違いを許容するために、その過程は不完全であったろうが、これらの分子命令をコピーする方法があったに違いない。 さらに、最初の生物は、おそらくタンパク質ベースの酵素を使用して、自らを養い維持する方法を持っていたに違いない。

1950年代に生命の起源に関する実験室研究が本格的に始まったとき、多くの研究者が、生命は海で始まり、原始スープと呼ばれる炭素ベースの化学物質が豊富に混在していると仮定しました。 オパリンは、若い地球を巨大な化学工場と見立て、初期の海には炭素系の化学物質が大量に溶けていると考えた。 1953年、イリノイ州シカゴ大学のスタンレー・ミラーという若い研究者が、この考えを裏付けるような、今では有名な実験を行いました1。 彼は、海を模した水を入れたガラスフラスコと、初期の大気を模したメタン、アンモニア、水素を入れたフラスコを使用した。 フラスコとフラスコをチューブでつなぎ、電極で雷を模擬した。 数日間の加熱と電気ショックで、最も単純なアミノ酸であり、タンパク質の必須成分であるグリシンが作られたのだ。

しかし今日、多くの科学者が、生命の基礎となる分子は水の中で分解されるという、この考えには根本的な問題があると述べています。 というのも、タンパク質や、DNA、RNAなどの核酸は、その接合部分が脆弱なのです。 タンパク質はアミノ酸の鎖、核酸はヌクレオチドの鎖でできています。 この鎖を水の中に入れると、鎖を攻撃し、やがて鎖を切断してしまう。 炭素化学において、「水は可能な限り厳密に排除すべき敵である」と、生化学者の故ロバート・シャピロは、原始海洋仮説を批判した1986年の総決算『オリジン』の中で書いている2

これが水のパラドックスである。 今日、細胞はその内部での水の自由な動きを制限することでこれを解決していると、ミネアポリスにあるミネソタ大学の合成生物学者ケイト・アダマラは述べている。 このため、細胞質（細胞内の物質）に対する一般的なイメージは、しばしば間違っている。 「私たちは、細胞質はすべてを収納する袋であり、すべてが泳ぎ回っていると教えられています」と彼女は付け加える。 「4294>

生物が水をコントロールしているとすれば、その意味は明白だと多くの研究者は言います。 生命はおそらく、水が断続的にしか存在しない陸上で形成されたのです。

Land start

この考えを支持するいくつかの重要な証拠が、2009年にサザーランド教授と彼のチームが、RNA3を構成する4つのヌクレオチドのうち2つを作ることに成功したと発表したときに現れました。 彼らはまずリン酸とシアナミドというシアン塩など4種類の単純な炭素系化学物質を用意し、このうち1つは、RNA3(Non-RNA3)を構成している。 化学物質はすべて水に溶けていたが、高濃度であり、重要な工程では紫外線照射が必要だった。 4294>

サザーランド教授の研究チームはその後、同じスターター化学物質を微妙に異なる方法で処理すれば、タンパク質や脂質の前駆体も生成できることを示しました4。 研究者らは、シアン塩を含む水が太陽によって乾燥し、乾燥したシアン関連の化学物質の層が残り、それが例えば地熱活動によって加熱された場合、これらの反応が起こった可能性を示唆している。 4294>

このアプローチは、ジョージア州アトランタの NSF-NASA Center for Chemical Evolution の生化学者 Moran Frenkel-Pinter とその同僚たちによって拡張されました。 昨年、彼らは、アミノ酸が、乾燥させれば、自発的に連結してタンパク質のような鎖を形成することを示しました6。 そして、そうした反応は、現在タンパク質に含まれている20種類のアミノ酸で、他のアミノ酸に比べて起こりやすかった。 つまり、断続的に乾燥させることで、生命が何百種類もあるアミノ酸のうち、なぜそのアミノ酸だけを使うのかを説明できる可能性があるのだ。 「4294>

湿潤と乾燥

断続的な乾燥は、これらの分子構成要素を、より複雑な、生命のような構造に組み立てるのに役立つ可能性もあります。 彼らの目的は、同じ長鎖分子である脂質がどのように自己組織化し、細胞を取り囲む膜を形成するかを研究することであった。 まず、小胞を作った。小胞は、水の入った芯を2枚の脂質層で取り囲んだ球状の塊である。 そして、この小胞を乾燥させると、脂質が再編成され、パンケーキを重ねたような多層構造になった。 すると、それまで水中に浮遊していたDNA鎖が、層間に挟まれた状態になった。 再び水を加えると、小胞はDNAを含んだ状態で再構成された。

「こうした湿潤-乾燥サイクルはどこにでもあります」と、現在カリフォルニア大学サンタクルーズ校にいるディーマーは言います。 「濡れた岩の上で雨水が蒸発するのと同じくらい単純なことなのです。 しかし、それが脂質のような生物化学物質に適用されると、驚くべきことが起こると、彼は言います。

2008年の研究で、Deamerと彼のチームは、ヌクレオチドと脂質を水と混ぜ、それらを湿乾サイクルにかけました。 脂質が層を形成すると、ヌクレオチドがつながってRNAのような鎖になり、水中では起こりえない反応でした8。 ボストン・マサチューセッツ総合病院の合成生物学者ジャック・ゾスタック氏のチームは、「プロトセル」（ほんの一握りの化学物質を含む、成長、競争、自己複製が可能なシンプル版の細胞）を使って研究を行っているのですが、これが一つの結論になっています。 プロトセルは、陸上と同じような環境に置かれると、より生物に近い行動をとるようになる。 アダマラが共同研究者として参加したある研究では、プロトセルが光エネルギーを利用して分裂し、単純な生殖を行うことが判明した9。 同様に、現在同じくMRC分子生物学研究所のクラウディア・ボンフィオとその同僚は、2017年に、紫外線が多くのタンパク質に不可欠な鉄硫黄クラスター10を合成させることを示した。 これには、エネルギー貯蔵分子であるATPの合成を促進することで、すべての生細胞の動力源となる電子輸送連鎖のものが含まれる。 しかし、ボンフィオの研究チームは、鉄硫黄クラスターが水にさらされると分解してしまうが、クラスターを3～12アミノ酸長の単純なペプチドで囲むと、より安定することを発見した。 しかし、水がどの程度関与し、生命の誕生にどのような役割を果たしたかについては、まだ議論があります。

Deamerと同様に、Frenkel-Pinterは、湿潤-乾燥サイクルが重要であると主張しています。 乾燥状態は、タンパク質やRNAなどの鎖状分子を形成する機会を提供したと彼女は言います。

しかし、単にRNAやその他の分子を作るだけでは生命ではありません。 自立したダイナミックなシステムが形成されなければならない。 フレンケル＝ピンターは、水の破壊力がそれを後押しした可能性を示唆している。 獲物となる動物が、捕食者から生き残るために、より速く走ったり、毒物を分泌するように進化したように、最初の生体分子も、水の化学的攻撃に対処できるように、さらには、水の反応性をうまく利用できるように進化してきたのかもしれないのです。

今年、フレンケル・ピンター氏のチームは、乾燥によってアミノ酸が自発的に結合することを示した前回の研究6に続き、今回も研究を行った。 その結果、その原型タンパク質はRNAと相互作用することができ、その結果、両者は水中でより安定になることを発見した11。 つまり、水中では他の分子が破壊されるため、水中で生き残ることができる分子の組み合わせだけが継続されるのです。

つまり、湿潤のサイクルごとに、弱い分子や、他と結合して自分を守ることができない分子は破壊されたのです。 ボンフィオの研究チームは、今年行った研究12で、単純な脂肪酸を、現代の細胞膜に見られるような、より複雑な脂質に変換することを試み、このことを実証した。 その結果、単純な脂質は水によって破壊され、より大きくより複雑な脂質は蓄積されることが判明した。 「ある時点で、これらの脂質が膜を形成するのに十分な量になったのでしょう」と、彼女は言う。 言い換えれば、ゴルディロックス的な水の量があるのかもしれません。生物学的分子がすぐに破壊されるほど多くはなく、かといって何も変わらないほど少なくもない、ということです。 この点については、この分野では世代間の隔たりがあります。 多くの上級研究者は、1つのシナリオまたは別のシナリオに固執していますが、若い研究者はしばしば、問題は大きく開かれていると主張します。

化学物質が濃縮される方法がないため、外洋は実現不可能だと、Frenkel-Pinter氏は言います。 ボンフィオは「それは本当に問題だ」と同意しています。

別の海洋の考えは、1980年代から、カリフォルニア州パサデナのジェット推進研究所にいた独立研究者である地質学者のマイケル・ラッセルによって支持されています。 ラッセルは、生命は海底の噴出孔で始まったと主張しています。これは、暖かいアルカリ性の水が地下の地層から滲み出てくる場所です。 温水と岩石との相互作用によって化学エネルギーが供給され、それがまず単純な代謝サイクルを駆動し、後に RNA などの化学物質を作り、使用するようになるのです」

ラッセルはサザーランド氏のアプローチに批判的です。 「しかし、ラッセルにとっては、そのどれもが重要ではありません。 なぜなら、現代の生物はRNAなどの物質を作るのに、まったく別の化学的プロセスを使っているからだ。 ラッセルは、物質そのものではなく、これらのプロセスが最初に生じたに違いないと主張する。 「生命は非常に特殊な分子を選びます。 しかし、ベンチからそれを選ぶことはできません。 4294>

サザーランドは、RNAやタンパク質などが形成されれば、進化がそれを引き継ぎ、原始生物はこれらの分子を作る新しい方法を見つけ、それによって自らを維持できるようになっただろうと反論しています。

一方、ラッセルのアルカリ洞窟仮説については、多くの研究者が実験的な裏付けに欠けるとして懐疑的な見方を示しています。

対照的に、地表条件を模した化学実験では、核酸、タンパク質、脂質の構成要素が作られています。 “深海熱水噴出孔仮説 “には、そのような合成物は一切存在しません。 4294>

Frenkel-Pinter も、彼女が扱う分子はそのような条件下では長く生き残れないだろうと、噴気孔の考えに批判的です。 「これらのプロトペプチドの形成は、熱水噴出孔とはあまり相性がよくありません」と、Frenkel-Pinter氏は言います。

可能な解決策は、ドイツのデュッセルドルフ大学のポスドク、地球化学者のMartina Preiner氏と彼女の同僚が5月に提案したものです。 彼女は、熱水噴出孔の下の岩石では、熱と化学反応によって水分子が結合したり、分解したりして、乾燥した空間ができると主張している13。 「岩石と水の相互作用によって、ある程度まで水が取り除かれているのです」と彼女は言う。 断続的に海水が流入し、「乾湿分離のサイクルのようなもの」が発生する。 そうすると、深海の岩石は重要な分子の形成に適したものになるはずだと、プライナ-は主張する。 「もちろん、これが特定の反応を引き起こす可能性があることを証明するためには、それに応じた実験を行う必要があります」

しかしながら、現時点では、そのような証拠は存在しません。 一方、生命は陸上の小さな水域で始まったという考えに対する実験的な支持は高まっています。

サザーランドは、太陽と衝突の残留エネルギーによって加熱され、傾斜した側面を複数の水流が流れ、最後に底に溜まった隕石衝突クレーターを支持しています。 このような環境では、炭素系化学物質が水に溶けたり、太陽で乾燥したりすることが繰り返され、触媒となる鉱物の表面がある複雑な3次元環境であったと考えられます。 「サザーランドは言う。「ある程度確信を持って言えることは、我々は地表にいる必要があるということです。 「リン酸塩も鉄も必要です。 鉄・ニッケル隕石は、それらの多くを簡単に運んでくれます。 隕石の衝突は大気に衝撃を与え、シアンを生成します。

Deamer は長い間、火山性温泉という別の提案を唱えてきました。 今年の研究で、彼と同僚のブルース・ダマーは、彼の以前の実験が示したように、脂質が熱水の中で原細胞を形成しただろうと主張しました14。 プールの端の湿潤-乾燥サイクルは、RNAなどの核酸の形成とコピーを推進したであろう。”4294″

Deamerは、彼の考えを検証するために、現代の火山性温泉でいくつかの実験を行った。 2018年、彼のチームは、温泉水15で小胞が形成され、核酸を包むことさえできることを示したが、海水では形成されないだろう。 昨年のフォローアップ研究では、得られた小胞を乾燥させると、ヌクレオチドがつながってRNAのような鎖を形成することがわかった16。

生命が誕生した場所を絞り込むには、前生物化学の全体像を理解することが必要です：多くの反応がどのように組み合わされ、それらが発生する条件の範囲はどの程度か。 インディアナ州ハイランドにあるスタートアップ企業Allchemyの社長である化学者Sara Szymku氏が率いるグループが、その巨大な課題に挑戦しています。 この研究チームは 9 月に包括的な研究を発表し、既知のプレバイオティック反応の膨大なネットワークが、今日の生命に使用されている多くの生体分子をどのように生成し得たかを、コンピューター アルゴリズムを用いて探りました17。 このため、生命が誕生した場所について、どのシナリオも除外するのは時期尚早であると、Szymku氏は主張している。

地球の外

サザーランド氏のような実験が、生命が地球でどのように始まったかを示すものであるなら、宇宙の他の場所で生命が始まったかもしれない場所を探るのにも役立つでしょう。 NASA の探査機ペルセバランスの着陸地点であるジェゼロ・クレーターが選ばれたのは、かつて湖であったと思われ、サザーランドが研究した化学物質が生息していた可能性があるためです。 彼は、キャトリングが率いるNASAへの2018年のプレゼンテーションの執筆に協力し、前生物化学の知見をまとめ、パーセバランスがどこを見るべきかを助言した。 “私たちはこの化学を提示し、彼らが最終的に選んだこのジェゼロ・クレーターは、この化学が再生される可能性が最も高いものだと言いました “とサザーランド氏は言います。”

ペルセバランスが火星に到達するまで2ヶ月、そしてそれが収集するサンプルがまだ名前のない将来のミッションによって地球に戻されるまで何年もかかるでしょう。 つまり、火星に生命が存在するのか、あるいは数十億年前に存在したのかを知るには、まだ長い時間がかかるのです。 しかし、たとえそうでなかったとしても、前生物的な化学の痕跡を明らかにするかもしれません。

最高のケースは、パーセバランスが火星の堆積物の層に、脂質やタンパク質などの複雑な炭素ベースの分子、またはそれらの分解した残りを見つけることだと、キャトリングは言っています。 また、湿潤と乾燥のサイクルの証拠も期待している。 これは、湖が何度も乾いては満たされることで形成された炭酸塩の層という形で現れるかもしれない。 というのも、火星では、明確な化石や炭素を多く含む黒色頁岩など、生命が存在した痕跡が見られないからだ。 「私たちが探しているのは、実際の細胞そのものというよりも、前生物的なものです」

火星が生命に至る最初のいくつかの化学的ステップを踏んだだけで、そこまで行かなかったということもあり得ます。 その場合、生命の化石ではなく、生命以前の化石が見つかるかもしれません」

。