生命誕生の奇跡 (1) ( その他自然科学 ) - EARTH, OCEAN, and LIFE

生命誕生の奇跡 (1)　上空で作られたアミノ酸

生命の起源。それは科学の最大のテーマであるだけでなく、
人類の大きな哲学的テーマの一つで、ロマンに満ちた話題です。

地球史４６億年の中で、生命がいつ発生したのかは正確には分かっていません。
４０億年前という説、３８億年前という説、もっと後だという説もありますが、
４０億年前から２７億年前までのどこかで、有機分子（アミノ酸など）から
高分子（タンパク質など）を経て、生命体が誕生しました。

有機体が生命体であるためには、少なくとも２つの条件が必要です。
１つは自己複製機能。DNA上の情報を解読・翻訳して様々なタンパク質を合成します。
２つ目は代謝機能。外界からエネルギーを取り出し、自分の体を作ります。
代謝は酵素（タンパク質）が担います。生体内の化学反応の触媒と言っても良いでしょう。

しかしここでパラドックスがあります。
酵素を作るためには、酵素の設計図が書き込まれているDNAが必要だし、
そのDNAを組み立てるには酵素が必要です。まさに「にわとりと卵」の関係にあります。
初期地球にはDNAも酵素もありませんでした。これでは生物の誕生は永久に不可能です。

1980年代にRNA (DNAから情報をコピーして複製先にペーストするメモ帳のようなもの) の中に
「遺伝情報を記録し、なおかつ酵素としても機能するものがある」ことが発見されました。
それに基づいて「現在のDNA生命よりも前に、RNAが遺伝と代謝を担うRNA生命が存在した」
という仮説が提案されました。これをRNAワールドといいます。そして、RNAは徐々に
遺伝情報の保存能力をDNAへ、触媒能力をタンパク質へと譲り渡していったといわれています。
（→過古事記参照）

しかし、仮にRNAがタンパク質よりも先にあったとしても、
H, C, N, Oなどの元素から、いきなりRNAが生成される確率は限りなくゼロに近く、
RNAが生命の起源物質であるとして決着がついたわけでは全くありません。

窒素、水、C0, CO2などの材料から大気中や海中で一つ一つ反応を進めて、
アミノ酸や核酸塩基や糖などの生物有機分子が自然にできあがることはまず不可能で、
さらにそこからDNAやタンパク質などの巨大分子（ポリマー）が自然にできあがることも
何か魔法のような仕掛けでもない限り、まず不可能です。

しかし、その魔法の仕掛けが見えつつあるのです。
1990年代以降に急速に進展した惑星形成論によって、初期地球の環境が分かってきたためです。

最近、中沢弘基著「生命の起源地球が書いたシナリオ」を読みました。
この本は生命の起源について極めて重要なヒント・仮説を提示しています。
読みこなすためにはそれなりの基礎知識が必要ですが、
噛み砕いて、簡潔にこの本の要点を３回に分けて解説したいと思います。

アンモニアがどうやって地球上に現れた？（アンモニアがないとアミノ酸はできない）

有名な1953年のミラーの実験では、原始大気であるアンモニア、メタン、水の混合気体に
火花放電をさせ、タンパク質を構成する何種類かのアミノ酸を合成することに成功しています。

しかし「地球の原始大気はアンモニアとメタンである」という当時の前提は今や崩れています。
マグマオーシャンの原始大気は1200℃以上の酸化的な環境だったので、
アンモニア、メタンなどの還元性気体は即座に分解してしまいます。
初期地球においてアンモニアやメタンは安定に存在し得ません。
原始大気は二酸化炭素や窒素酸化物などの酸化性気体が主成分なのです。

アミノ酸が生成するためにはアンモニアは絶対的に必要な前駆体ですが、
そのアンモニアがどうやって地球上に現れたのかすらわかっていなかったのです。

その謎を解く鍵は、微惑星・隕石の爆撃でした。

微惑星・隕石の銃弾爆撃を受けた太古の海洋

原始地球の進化の様子をおさらいしておきましょう。
(1) 原始地球は多数の微惑星・隕石の衝突・合体によって急速に成長し、
　　45.5億年前に現在とほぼ同じ大きさになった。
(2) 衝突した微惑星はいったん蒸発し、金属や岩石はすぐに凝集して沈殿したが、
　　水蒸気、二酸化炭素、窒素は大気成分となった。金星と同じ100気圧程度。
(3) 微惑星の衝突エネルギーによって地球の表面は融解し、マグマオーシャンができていた。
　　マグマオーシャンの温度は岩石が溶ける1200℃以上。
イメージ 1

(4) 大気中にメタンやアンモニアが存在したとしてもすぐに分解され、
　　生命の素になる有機物を完全に除去した無機の世界にリセットされた。
(5) 微惑星・隕石の衝突の頻度が落ちると地球表面の温度が下がり、水蒸気が凝集して
　　43億年前には海が出現する。大気は１気圧に近づく。35億年前には隕石の衝突はおさまる。
イメージ 2

つまり、遅くても40億年前には海ができていて、35億年前頃まで、
微惑星・隕石は現在の1000倍以上の頻度で衝突を続けていました。
40-38億年の間に１平方メートルあたり200トンもの隕石が降り積もった！
そこで何が起こっていたのでしょうか？

「有機分子のビックバン説」衝撃蒸気流でできたアンモニアとアミノ酸

アンモニアやアミノ酸が生成される過程を簡単に説明します。
(1) 微惑星・隕石が海に衝突すると、微惑星・隕石（金属、鉱物、炭素）は蒸発して
　　微粒子となって噴出。
(2) 衝突によって海水は超臨界水となる。超臨界水は気体として振る舞いながら、
　　金属や鉱物を原子や分子の状態で溶かし込む。極めて反応性の高い雲を形成。
(3) 超臨界水は一気に還元され、多量の水素と反応熱を発生。
(4) 超臨界水と水素と隕石の気体は高温の衝撃蒸気流となって大気圏に上昇する。
(5) この衝撃蒸気流の中に原子の状態で溶解している金属鉄は還元剤として作用する。
　　鉄が水を還元して酸化鉄になり、還元環境が作られる。
(6) 隕石の気体の中には固体炭素の微粒子も含まれる。還元条件の衝撃蒸気流の中で
　　超臨界水や水素と固体炭素が反応すれば多様な有機分子が生成される。
(7) 固体炭素はもともとベンゼン環が無限に連なったものだから、ベンゼン環を有する
　　アミノ酸も容易に生成できてしまう。
(8) 還元条件の中で窒素と水素ガスからアンモニアができる反応が容易に進行する。
　　生成したアンモニアは上空で冷却され、雨滴に溶けて海に回帰する。
　　アンモニウムイオンとなって安定に海水中に存在する。

N2、H20、C0, CO2などの小さな分子から一つ一つ反応を進めて有機分子を作るのは
何十億年かけても無理。
隕石の衝突による高温の衝撃蒸気流の中で、炭素、水素、窒素、金属を溶かし込んだ
還元的な超臨界水の中で、一挙に有機分子が生成され、上空から降って来たという説。
これが「有機分子のビックバン説」です。40-35億年前の出来事です。

本の筆者は衝撃蒸気流内のアンモニアやアミノ酸の合成実験に成功しています。
詳細は本を参照してください。

まとめ（ココだけ読めばわかります）

● 生命の起源は初期地球の環境が分からなければ解明できない（生物や化学だけでは分からない）
● 生命の素になった有機分子は隕石の海洋衝突による衝撃蒸気流の中で生成された
● 隕石に含まれる固体炭素が有機分子の素材となった
● 有機分子を生成する還元的環境を作ったのは、超臨界水に溶けた隕石の金属鉄である。
● 海が出現し、隕石衝突がまだ激しかった40－38億年前のワンチャンスに有機分子ができた。

次の難関は、「アミノ酸などの簡単な有機分子が、いかに重合して
タンパク質や核酸などの高分子になることができたか？」です。
次回　「生命は地底で発生した！」です。

参考にした図書：中沢弘基著『生命の起源・地球が書いたシナリオ』
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