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［生命の要素・アミノ酸-1］生命とは何か？

生命とは、文脈によって様々な定義がある語ですが、基本的には「生きているもの」と「死んでいるもの」、あるいは物質と生物を区別する特徴・属性などを指す語、あるいは抽象概念です。伝統的に、「生き物が生きた状態」そのものを生命と呼ぶことや、生きた状態は目に見えない何かが宿っている状態であるとして、その宿っているものを「生命」「命」「魂」などと呼んでいて、現在でも広く日常的にそのような用法で使われています。

生命の誕生

現代の生物学では、代謝に代表される、“自己の維持、増殖、自己と外界との隔離など、様々な現象の連続性を以って「生命」とする”という定義が多数を占めています。生命現象（生きている状態）には様々な側面がありますが、一般に生物学では、根本的な生命の定義に関わる部分は、その内部での物質交換と外部との物質のやりとり、および同じ型の個体の再生産にあると考えられています。また、そのような性質を持つ最小の単位が細胞であるので、細胞を生命の最小の単位と見なし、それから構成されるものに生命を認める、というのが一般的です。植物の種子などのように、著しく代謝活動が不活発な状態でも代謝活動の再開が見込める場合には生きている、と呼んでいます。ところが、ウイルスやウイロイドなどの存在は判断が難しいようです。ウイルスを生物とするか無生物とするかについて長らく論争があり、いまだに決着していない状況です。

さらに、現在知られている地球上の全ての生物は炭素を素にしていますが、我々が地球以外での生命の形を知らないだけという可能性も指摘されることがあります。理論上は炭素以外の物質を元とした生物も考えられうるわけですが、本章では、現代生物学の定義をもって「生命」とすることにします。

［生命の要素・アミノ酸-2］アミノ酸とタンパク質

太陽系は数十億年前に星間分子雲の中で誕生しました。星間分子雲はガスやチリでできていて、それらがまとまることで星や小惑星、惑星が形成されます。そうして人類の住む地球も誕生したのです。

そして宇宙の歴史のどこかで、生命へと発展するアミノ酸が出現しました。アミノ酸の分子がつながることで、ほぼすべての生物学的機能を担う「タンパク質」が形成されるのです。

現在、我々人類が知っている生命は、地球上の生物のみですが、これらの全ての生物は同一の先祖から発展してきたと現代生物学では考えられています。その理由は、タンパク質で構成される全ての地球生物が用いるアミノ酸が20種類だけに限定され、そのうちグリシンを除き光学異性体を持つ19種類が全てL型（左手型）を選択していること、またDNAに用いる核酸の塩基が4種類に限定され、それらが全てD型（右手型）である事です。

地球上に生息する約150万種の生物は、すべてタンパク質を持ち、その種類は100億とも1兆ともいわれます。1兆種ものタンパク質にはそれぞれ独自の働きがあり、その元をただせば、たった20数種類のアミノ酸というのですから驚きます。違った種類のタンパク質が、アミノ酸の種類や数、並び方により無数に生まれるのです。

タンパク質はアミノ酸がネックレスの玉のように連なった形をしています。アミノ酸は炭素Cを中心に、「アミノ基NH₂」と「カルボキシル基COOH」が両側に結合した形をしています。それぞれのアミノ酸は「側鎖R」を持ち、この部分だけがアミノ酸の種類により違います（次左図）。

アミノ酸同士は一定のルールに基づき次々につながります。「ペプチド結合」といい、アミノ酸のアミノ基NH₂と別のアミノ酸のカルボキシル基COOHが反応して結合し、同時に1分子の水H₂Oがとれます（前右図）。タンパク質はこのペプチド結合によりアミノ酸が何百個もつながったものです。

一般にアミノ酸が50個以上結合したものをタンパク質といい、50個未満のものはペプチドと呼ばれます。

一方で、このアミノ酸がどこからやって来たのかは、長い間謎に包まれています。生命の基本要素であるアミノ酸は、生命がまだ存在しない初期の地球にこつ然と出現したのか、それとも生命の種となる材料が宇宙のどこかからかやってきたのでしょうか・・・・。

［生命の要素・アミノ酸-3］地球有機物起源説

＜化学進化説＞

地球有機物起源説は、地球上で単純な化学物質が長い年月をかけて複雑な物質に変化していき、生命が誕生したという「化学進化説」が基になっています。

生物は、主に炭素や酸素、水素や窒素を含む化合物からできていて、これらの元素は空気や水に含まれていますから、これらの物質が複雑な過程を経て、生命が誕生したという考え方です。18世紀には、生物に含まれる物質を生物にしか合成できない特別な物質と考え、鉱物と区別するために、前者を有機物、後者を無機物と呼んでいました。しかしその後、アミノ酸のような単純な有機物は生物の働きがなくても合成できることがわかったため、有機物は特別な物質ではなくなりました。現在では、有機物は炭素を含む化合物のうち、二酸化炭素や炭酸ナトリウムのような単純な物質を除いたものと定義されています。

このように、有機物が人工的に合成できるなら、自然界でも簡単な有機物は合成できると考えた科学者がいました。アメリカのノーベル賞化学者ハロルド・ユーリーは、「原始地球の大気は、水、メタン、アンモニア、水素が含まれる還元的（分子状の酸素がほとんど存在しない状態のこと）な環境にあった」と考えていました。1953年に、当時シカゴ大学の大学院生だったスタンリー・ミラーは、ユーリーの指導のもと、実験を行なって、実際に簡単な有機化合物が人工的に合成できることを証明しました。

ユーリー・ミラーの実験（Wikipedia）

フラスコ内にこれらの気体と水を入れておき、下からバーナーで加熱して水分を蒸発させます。それからつながった別のフラスコ内で落雷を模した放電を行ない、その先の管で冷却してもとのフラスコに戻します。それを連続して繰り返し、1週間ほど続けたところ、フラスコ内の溶液はしだいに茶色っぽくなってきました。そこで、この溶液に含まれる成分を調べたところ、タンパク質の部品となるアミノ酸が何種類もできていたのです。その後、このような実験によって、アミノ酸だけでなく、核酸の成分であるプリンやピリミジン、ATP（アデノシン三リン酸）の要素でもあるアデニンの合成も確認されました。

この実験は、初期の地球上でも、無機物から有機物が合成され、やがて生命の誕生をもたらしたのではないか、という化学進化の考え方を強く支持する根拠とされました。

その後、地球物理学の進展により、原始地球の大気はミラーの実験で行なわれた還元的な環境にはなく、二酸化炭素などの多い酸化的環境にあったことがわかりました。しかし、現在の深海にある熱水噴出孔や陸上の温泉・間欠泉でも、ミラーの実験と似たような環境があり、有機物が合成される可能性があることがわかってきました。ミラーの実験は、生命にとって重要な有機化合物・アミノ酸が、生物の力を借りなくても合成できることがわかり、その後の研究の方向性を大きく変えていったのです。

＜深海熱水噴出孔モデル＞

近年、地球有機物起源説の中でも多くの支持を得ているのが、JAMSTEC（海洋研究開発機構）や米航空宇宙局（NASA）の研究グループなどが提唱している「深海熱水噴出孔モデル」です。深海の熱水噴出孔には炭酸ガスだけでなく、還元力の強い水素も豊富に存在し、これらが反応してメタンやアセトンを持続的に合成することができる条件を備えています。さら地中深くから熱水が噴きあげる間に、は有機物の合成や重合化に必要な触媒となる様々な鉱物が豊富に存在すると考えられます。そして何よりも、一つの熱水噴出口は、少なくとも3万年以上との長い期間熱水を噴出し続けることがわかっていて、熱水噴出孔が生命誕生に必要な有機物とエネルギーを持続的に形成できる場所であることは十分納得できます。熱水噴出孔の中には数ｍから数十ｍのチムニーという構造を形成して海水から突き出ているものが存在します。これは鍾乳石と同じで、熱水に溶けていた様々な鉱物が海水で冷やされ沈殿することで形成されます。すなわちチムニーの存在は、熱水噴出が生命誕生に必要な地質学的時間維持できる可能性を示唆しています。また有機物が安定に存在するのが難しい400℃近い熱水もチムニーを通る間に冷却され、有機物の合成や持続の可能な温度になります。

これらの結果から、「１）豊富な有機物合成の原料、２）熱や電気化学エネルギー、３）持続性、の点で熱水噴出孔にできたチムニーが、有機物を持続的に供給でき、生命誕生までの長期間の分子選択過程を維持できる」など熱水噴出孔が現在考えうる最適の生命誕生の現場である可能性が強く示唆されています。最近、メタンを構成するアイソトープを調べた研究から、熱水噴出孔周辺に存在するメタンの少なくとも一部は生物が関与せずに生成されたことも証明され、JAMSTECなどのグループは、熱水噴出孔が有機物・アミノ酸合成の現場である可能性が高まっていると主張しています。

＜陸上温泉・間欠泉モデル＞

太古の地球の陸上には温泉や間欠泉が存在したと考えられ、その温泉水にも各種の鉱物が含まれガスが出ています。深海の熱水噴出孔周辺との大きな違いは、温泉周辺の水たまりが干上がったり湿ったりを繰り返すことです。そこで米カリフォルニア大学の研究グループなどは、深海熱水噴出孔モデルとは別に、次のような「陸上温泉モデル」による生命誕生のシナリオを提唱しています。

温泉の水たまりが干上がると、水中を漂っていた様々な物質は濃縮され膜状になって岩にへばりつきます。膜は多層になっていて、層の間には有機物が挟み込まれ、それらが自然に結合して重合体と呼ばれる複雑な分子が形成されます。その場所に再び温泉水が供給されて水たまりが復活すると、多層膜ははがれて水中に浮遊し、その中には重合体を包み込んだ小胞のようなものができます。そして、このようなサイクルが繰り返されることで、最終的に生物の細胞の原型のようなものができあがります。

ただし、このモデルでは初期生物の出現については説明していますが、もとになる有機物やアミノ酸がどうしてできたのか、あるいはどこから来たのかという点には言及していません。

そこで、東京工業大学の丸山と理化学研究所の戎崎は、20億年前まで中央アフリカ等に存在していたことがわかっている「ウラン鉱床の自然原子炉」が発する電離放射線も、ユーリー･ミラーの実験の放電と同様の役割を果たすという「自然原子炉間欠泉モデル」を提唱しています。

冥王代の地球上では､次図に示すように、自然原子炉の電離放射線が､アミノ酸合成や複雑な有機化合物の合成に大きく貢献したはずです。このモデルは、自然原子炉が放つ強力なエネルギーと､それによって駆動される化学反応､さらにエネルギーと物質が循環する場として間欠泉と組み合わせ､生命誕生場として新たに提案されたものです。自然原子炉間欠泉内部では､簡単なものから複雑なものまで、多種多様な生命構成物質が生産され､生命誕生に向けた前駆的な化学進化が進んだとされています。

自然原子炉間欠泉モデル（地球と生命の誕生と進化：清水書院）

＜隕石海洋衝突モデル＞

2008年12月、東北大学のグループは以下のようなプレスリリースを発表し、同時に「Nature GeoScience」にも寄稿しました。

「独立行政法人物質・材料研究機構の中沢弘基名誉フェローらは東北大学大学院理学研究科と共同で、炭素（固体）・鉄・ニッケル・水・窒素ガスをステンレスカプセルに詰め、高速の飛翔体を衝突させた後カプセルを回収し、生成物を分析して、グリシン（アミノ酸）、各種アミン、同カルボン酸（脂肪酸）など生物有機分子 およびその前駆体の生成を確認した。

この実験は、初期地球に海が出現した後、40～38億年前頃に頻繁にあった隕石の海洋爆撃の際の化学反応を模擬したもので、生命の起源の端緒となる生物有機分子の起源を強く示唆している。」

このモデルは、生命の材料・アミノ酸が宇宙からの小惑星や隕石と共に地球にやってきたという「宇宙有機物起源説」とは異なり、初期の地球上でアミノ酸が生成したということから、「地球有機物起源説」の範疇に入れてみました。

概略は、隕石には大量の鉄が含まれていて、これが衝突のエネルギーで還元反応を起こす際に有機物を作っていくというスト－リ－になります。

実験では、直径3センチほどのカプセルの中に、太古の海はこうだったであろうと思われる成分と隕石の主成分である鉄を加えて封入します。これに大き目のコインほどのディスクを衝突させて、衝撃波をカプセルに伝え、カプセル内の成分にどのような変化が起こったかを質量分析装置で確かめました。

実験開始から3年目の2009年には、もっとも単純なアミノ酸の一種グリシンが生成されることを確認し、さらにプレスリリース後の2015年には、驚くべきことに核酸塩基のシトシン、ウラシルに加え、グリシン、アラニンなど13種類のアミノ酸が一度の衝突で生成されることを突き止めたのでした。

つまり、窒素と二酸化炭素が、水と隕石に含まれる鉄などの主要な鉱物と反応することによって、タンパク質の材料であるアミノ酸が生成されることを明らかにしたわけです。今回の研究と合わせて、窒素が大気中に大量に存在したと考えられている生命誕生前の地球では、これまで考えられていたものとは異なる、生命の材料分子の生成反応が起こっていたことが示されました。

これらの研究成果は、当時の火星でも隕石の衝突によってアミノ酸が生成されていて、火星でも生命誕生に向けた化学進化の可能性を示唆するものであるといわれています。

［生命の要素・アミノ酸-4］宇宙有機物起源説

一方で、アミノ酸は、星間分子雲中のダスト表面における反応によっても生成されることが分かりました。実際に電波望遠鏡を使った星問分子雲の観測によって、アミノ酸の一種であるグリシンの前駆物質（生成前の段階にある物質）であるメチルアミンが、天の川銀河中心部の約10倍も存在することが明らかになりました。また、1969年オーストラリアに飛来した「マーチソン隕石」という始原的な炭素質コンドライト隕石からは数十種類ものアミノ酸が発見されていて、ヴィルト彗星やチュリュモフ・ゲラシメンコ彗星からもグリシンが発見されました。地球史初期の数億年間には小天体が高い頻度で地球に衝突していたと推定されていて、大量のアミノ酸が地球に降り注いでいた可能性もあります。

さらに、宇宙航空研究開発機構（JAXA）の探査機「はやぶさ2」が2020年に持ち帰った小惑星「リュウグウ」の砂などの試料から約2万種類の有機物と少なくとも20種類のアミノ酸が見つかりました。

アミノ酸は、月と小惑星イトカワ（初代はやぶさが探査）では見つかっておらず、地球に落ちた隕石から見つかっているだけでした。しかし、隕石は地球への大気圏突入で高温にさらされるうえ、地球上にあるアミノ酸などと混ざって汚染されることが問題だったのです。

「リュウグウ」から試料を得られたのは、小惑星などの試料を持ち帰る「サンプルリターン」という初代はやぶさから培ってきた技術の成果でした。「はやぶさ2」は「リュウグウ」の表面と地下にあった岩石から試料を採取し、カプセルに収めて地球に投下して高温や汚染から守りました。

発見された23種類のアミノ酸は、それぞれ立体的な構造の違いで、右手型と左手型の2つの型に分かれます。地球上の生命の体は、なぜか左手型ばかりでできています。その理由は大きな謎ですが、試料の分析が進めばこの疑問に迫れる可能性もあります。

アミノ酸の2種類の型

以上のように、今月は「生命の要素・アミノ酸」についてのお話をさせていただきました。生命はどこからきたのか？どこで生まれたのか？については、まずはアミノ酸の由来の謎を解くことが重要な鍵になっているようですね。この点でもまだ様々な学説、議論があるようで、いまだに決定的なエビデンスが見つかっていないということでしょうか。読者の皆さんは、どの説が有力だとお思いですか？

次回は「生命活動の開始」をテーマに取り上げる予定です。