他のすべての生命の起源となった最初の生命体LUCAを探して

2011 年 6 月 26 日に撮影された、大西洋中央海嶺の 3.3 km 下にある「カンデラブラ」熱水噴出孔。過去には、科学者らがこのような噴出孔周辺の沈殿物の中に古代の生命体の証拠を発見したことがある。| 写真提供: MARUM (CC BY 4.0)

地球上の生命の起源は、世界で最も長く続いている謎の 1 つです。競合する理論は数多くありますが、どれも決定的な証拠がありません。それでも、科学者は、地質学的、気候的、化学的プロセスの組み合わせによって生命の構成要素が生まれたと広く信じています。

1920 年代、アレクサンダー・オパーリンと JBS ホールデンはそれぞれ独立して、その種のものとしては初めての起源理論を提唱しました。1924 年と 1929 年に、オパーリンとホールデンはそれぞれ、初期の生命体を構成する最初の分子が、若い地球の荒れ狂う生命誕生前の環境における「原始スープ」から徐々に自己組織化していったと提唱しました。この考えは今日、オパーリン ホールデン仮説と呼ばれています。

研究者らは生化学実験も行い、この仮説を裏付ける証拠も発見した。特に有名なのは1952年のミラー・ユーリー実験で、シカゴ大学の研究者スタンレー・ミラーとハロルド・ユーリーは、適切な条件下では無機化合物から複雑な有機化合物が生成できることを示した。ミラーとユーリーはメタン、アンモニア、水を混ぜ、雷のような強い電流を流すと、混合物にはタンパク質の構成要素であるアミノ酸が含まれていた。彼らはその発見を翌年、学術誌「ミシシッピ大学」に発表した。 科学。

当時の地球環境は、この実験で模倣しようとしていたものとは大きく異なっていたかもしれないという証拠が今日ではあるが、無機分子の培養液でアミノ酸が生成できるという事実そのものが画期的だった。

他の研究者たちは、生命の起源について別の理論を提唱している。特に有名なのは、宇宙からの隕石が、地球だけでなく宇宙での発見によって支えられた生命の構成要素をもたらした可能性があるというものだ。2019年8月、フランスとイタリアの科学者は、33億年前の地球外有機物質を発見したと報告した一方、日本のはやぶさ2による小惑星リュウグウへのミッションでは、そこに20種類以上のアミノ酸が存在することが示された。

LUCAと分子時計

謎としては、生命の起源に次いで大きいのは、生命体がいかに進化して、今日私たちの周りで見られるような豊かな多様性を生み出したかということです。研究者たちは、細菌、古細菌、真核生物という 3 つの生命の系統すべてが、最後の普遍的共通祖先 (LUCA) と呼ばれる単一の細胞から生まれたと考えています。

LUCA の存在を裏付ける化石証拠はないが、現代のゲノムが多くの特徴を共有しているという事実は、いくつかの洞察を与えてくれる。科学者が「生命の樹」を再構築することを可能にする重要な概念は、分子時計の理論である。分子生物学者のエミール・ツッカーカンドルと生化学者のライナス・ポーリングが 1960 年代にこれを提唱し、その後、生物学者の木村資生がこれを改良した。

理論の簡略版によると、集団のゲノムに突然変異が追加された、または削除された割合は、一定である新しい突然変異の獲得割合に比例します。その後の研究では、突然変異の割合は種によって異なることも判明しました。研究者は、この 2 つの事実を使用して、2 つの進化イベントの間にどれだけの時間が経過したかを推定する方法を開発しました。

分子時計を特定の突然変異率に合わせるために、研究者はゲノムと、最初の哺乳類が進化した「日付」や特定の化石の年代などの既知の出来事とのリンクを確立します。これらのリンクは時間的なベンチマークのような役割を果たします。

さまざまな生物の膨大なゲノム配列と化石、そして今日利用可能な計算能力のおかげで、研究者は分子時計を日常的に使用して、地球上のさまざまな生命体の時間の経過による進化を理解しています。

LUCA と化石のどちらが古いのでしょうか?

最近のジャーナルの論文では 自然生態学と進化英国ブリストル大学とエクセター大学の研究者らは、細菌350種と古細菌350種のゲノムの系統樹を構築した。そして、分子時計を用いて、LUCAがいつ誕生したかを推定した。それは、地球自体が形成されてからわずか3億年後の、およそ42億年前だった。

研究チームはまた、LUCA のゲノムは 250 万塩基程度で、約 2,600 種類のタンパク質をコード化しており、そのすべてが LUCA が独自の環境ニッチで生き残るのにちょうど十分な量だった可能性があると報告した。研究チームはまた、LUCA が生成した代謝物 (代謝の結果として生成された化合物) が、他の微生物が出現する可能性のある「二次」生態系を作った可能性を示唆した。

重要なのは、LUCA の起源が、地球上の生命の起源に関するこれまでの考えより 42 億年も古いことだ。背景として、研究者たちは、地球上で始生代の岩石が地上に露出してアクセス可能な数少ない場所の 1 つである西オーストラリアのピルバラ クラトンで、最も初期の生命体の化石記録を発見した。これらの化石の研究は、岩石上に生息していた生命が約 34 億年前に出現したことを示唆している。一方、現在の研究では、この日付をほぼ 10 億年遡り、地球自体の誕生とほぼ同時に押し進めている。

研究者らはまた、LUCA が免疫を司る遺伝子を持っていた可能性があると考える根拠もいくつか発見し、ウイルスと戦う必要があったことを示唆している。

総合すると、これらの発見は、地球上で生命がどのように出現し進化したかを理解する上で非常に重要であるだけでなく、宇宙全体で同様の生命を探す私たちの能力についても語っています。また、これらの発見によってもたらされる進化に関する洞察は、地球上のさまざまな産業、化学、生物学的プロセスのために合成生物を設計し、将来他の惑星で生態系を創造または調整するという人類の野望にも大きな刺激を与えるでしょう。

著者は、ヴィシュワナートがんケア財団の上級コンサルタントであり、インド工科大学カンプール校およびDYパティル・ヴィディヤピート博士の非常勤教授、およびアショカ大学の著名な客員です。