生命の起源をめぐる信じられない難問

私「人生」の意味を突き詰めようとする試みにおいて、科学者や哲学者は数十もの定義を提示してきました。最近、研究者たちは、何かが生きていくためには、自然選択によって再生し進化できなければならないということに多かれ少なかれ同意しています。

これらの試みにより、私たちは地球上にどのような生命が存在するのかの理解に少しずつ近づいているかもしれません。 は、そして他の場所での生活とは そうかもしれない生命がどのように誕生したかを解読するのに特に役立つことが証明されたものはありません。これまでのところ、最も効果的なアプローチは、創造的な実験を伴うものでした。これらには、初期の地球環境について私たちが知っていることに基づいて、初歩的な化学が単純な生物学になる可能性がある、もっともらしい道を見つけることを目的としたものも含まれます。当然のことですが、これを実現しようとする初期の試みは、一見克服できない障害に遭遇しました。それは、重要な化学反応を加速する力と、情報を伝達する力のどちらが先かを判断できないことです。

たとえば、生命の主な分子構成要素である核酸 (RNA と DNA) とタンパク質を考えてみましょう。 RNA と DNA は、生命の操作指示と、ある世代から次の世代に受け継がれるすべての情報を保存する責任があります。タンパク質は生命の主力であり、細胞の生化学的機能のほとんどを実行します。しかし、タンパク質を作るには RNA と DNA にコード化された情報が必要ですが、同時に RNA と DNA 自体を組み立てるにはタンパク質が必要です。

同様に、細胞が栄養素やエネルギー源を利用できるようにする細胞内の化学プロセスである代謝を促進するのはタンパク質酵素です。しかし、それらの酵素を作り出すのは代謝のおかげで存在する生化学物質です。もう一方が先に存在しない状態で、どうやって片方がスピンアップするのでしょうか?

長年にわたり、この明らかな原因の循環は、まさに「鶏が先か、卵が先か」のジレンマであり、多くの科学者は、生命はほとんど奇跡に近い化学事故によってのみ誕生する可能性があると確信していました。これらの科学者たちは、他にどのようにして化学元素の混沌とした混合物が突然生物生命体に変化することができるだろうかと疑問に思いました。新しい本の中で私たちが探求しているのは、 地球は特別ですか?: 宇宙生命の探求、 過去 20 年間の研究は、この迷宮から抜け出す創造的な方法を見つけることに成功しました。

T彼がこの問題に対する潜在的な解決策のヒントを初めて発見したのは 1960 年代後半でした。コーネル大学の生化学者であるロバート W. ホーリーは、トランスファー RNA として知られる特定の RNA 分子の配列と化学構造を解明しました。 またはtRNA。その後、生物物理学者のアーロン・クルーグとアレクサンダー・リッチは、tRNA の折りたたまれた構造を解きほぐすことでこれに続きました。誰もが非常に驚いたことに、この RNA の構造は DNA というよりもタンパク質に似ており、複雑な折り目があり、DNA のやや硬くて特徴のないはしご状の二重らせんとはまったく異なります。

化学者のレスリー・オルゲルと分子生物学者のフランシス・クリックは、これが何を意味するのかすぐに理解しました。彼らは、RNAが生命の誕生時にタンパク質酵素の役割を果たし、情報を運ぶだけでなく化学反応を引き起こした可能性があることを示唆した。オルゲルは 1960 年代後半に、地球上の初期の生命には DNA もタンパク質も関与しておらず、RNA のみが関与していたと大胆に推測しました。

化学元素の混沌とした混合物が突然生物生命体にどのようにして変化するのでしょうか?

Orgel の完璧な評判にもかかわらず、RNA 配列が情報を保存し、化学反応を促進できるという考え (当時はタンパク質酵素のみができることだと考えられていました) は受け入れがたいものでした。しかし、1980年代初頭に分子生物学者のシドニー・アルトマンと化学者のトーマス・チェクが、RNAが確かに酵素として機能し、潜在的には自身の複製を開始する可能性があるという驚くべき（そしてノーベル賞を受賞した）発見をしてからは、科学者たちに選択の余地はなかった。

これ 「鶏が先か、卵が先か？」という非常に厄介な問題を解決しました。難問。この意味するところは驚くべきものでした。生命の起源は単純に自己複製 RNA 分子の起源に帰着するのかもしれません。

タンパク質と DNA はどこに残るのでしょうか?これらは、反応をより効率的に触媒でき、情報をより堅牢に保存できるという利点を備えて、後に進化した可能性があります。 RNA だけが「鶏」でもあり「卵」でもあるという、地球上の生命の歴史の中でより単純な時代を描いたこの魅力的な概念は、生化学者のウォルター・ギルバートによって「RNA の世界」という簡潔なキャッチフレーズで広められました。 RNA分子は、今日私たちが生命体で見ている細胞よりもはるかに複雑ではない原始細胞内に収容されており、遺伝情報の伝達者として、また機能分子としての役割を果たし、すべての主要な役割を果たしていた可能性があります。

RNA の世界の独創的なアイデアの後でも、単純な原始細胞がどのように成長、複製、分裂できるかを理解するには、考え方の革命が必要でした。結局のところ、これらの細胞はおそらく、短い RNA 断片を収容する脂肪酸で構成された単純な膜のみで構成されていたと考えられます。これらの初期の原細胞 (現在私たちが見ている微生物の前駆体) と今日の細胞との大きな違いは、私たちの細胞がその内部と膜に恐るべきタンパク質装置を持っていることです。この機械は、膜を通した栄養素と水の輸送を可能にし、制御します。

これは研究者が認識しなければならなかった重要な認識です。一方、今日の細胞は独自の細胞に依存しています。 内部 生化学がその仕事を行うために、RNA の世界のプロトセルは栄養を得るために環境に依存する必要があり、それは変動でした。 外 原始細胞の成長と分裂のプロセスを駆動する原始原細胞。

生命の起源は単純に自己複製 RNA 分子の起源に帰着するかもしれません。

劇的な例を 1 つ挙げてみましょう。プロトセルに多層の境界がある場合はどうなるのでしょうか?追加の脂肪酸分子が供給されると、最外膜は管を発芽させ、その管はより太く長くなり、層状の膜が物質を交換するにつれて、原始細胞全体が長くて壊れやすい多層フィラメントになります。これにより細胞分裂が容易になります。風によって湖の表面にかかるような弱いせん断力でも、そのようなフィラメントは「娘」原始細胞に断片化され、その一方で、子孫の内部に貴重な内容物（RNAなど）が保持されます。

最初の原始細胞が出現するために、数十億年前に一体何が起こっていたのでしょうか?この質問に対する答えを探すのにこれほど刺激的な時期はありません。この謎、そして生命の起源が必然なのかまぐれなのかを解明するチャンスを得るためには、科学者たちは地球上のどのような奇妙な風景がRNAやタンパク質の構成要素を生み出したのかを想像する必要があることが今や明らかになった。 、および細胞膜。

これはすでに成果を上げています。 2009年、 研究者らは、RNA の 4 つのヌクレオチドのうち 2 つが初期の地球でどのように形成されたかを特定しました。現在のシナリオが地球上の生命がRNAから始まったという事実を考えると、これはある意味で我々がその半分まで到達したことを意味します。さらに驚くべきことに、地球上のすべての生命体に含まれるタンパク質の構成要素であるアミノ酸 20 個のうち 12 個も、まったく同じ化学によって生成された可能性があることが研究者らによって示されました。言い換えれば、私たちは現在、化学から生物学へのもっともらしい経路の少なくとも一部を手に入れています。

プレバイオティクスの化学におけるこうした進歩は、ソーダ湖や衝突クレーター湖など、この化学を促進した可能性のある初期の地球環境についての理解の深まりとともに、生命そのものが地球の表面にどのように出現したのかという解明に私たちを近づけつつあります。新しく形成された惑星。

リード画像: Paolo Farinella / Shutterstock

• マリオ・リビオ

  投稿日 2025 年 1 月 15 日

  マリオ・リビオは、ハッブル宇宙望遠鏡で 24 年間働いた天体物理学者です。彼の最新の本は 地球は特別ですか?: 宇宙生命の探求、ジャック・ショスタクとの共著。

• ジャック・ショスタック

  投稿日 2025 年 1 月 15 日

  ジャック・ショスタックは生化学者であり、ノーベル生理学・医学賞受賞者です。彼の最新の本は 地球は特別ですか?: 宇宙生命の探求、マリオ・リビオとの共著。

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