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ホーム ＞ ㈠地球と生命 ＞ ��太古代 生命誕生の奇跡 (2) 海底下で生き延びた高分子地球外から飛来したにせよ、隕石の衝突で生成されたにせよ、40−38億年前にはアミノ酸などの様々な有機分子が地球上に存在していたと考えて良いでしょう。(前記事参照) さて、次のステップは？？？ アミノ酸はどのようにしてタンパク質（酵素）に進化していったのでしょう？？？？ 第１段階：酸化的大気からのサバイバル大気圏で生成された有機分子は、いずれ酸化的な大気中で分解の危機にさらされてしまいます。有機分子は雨滴と一緒に海に回帰することで、まずは大気中での分解を回避しました。 次に有機分子が海水に良く溶け込むことが大事です。 有機分子の中でも炭化水素（炭素と水素だけでできた化合物：石油や天然ガスの主成分）は 水にはなじまないため、海面に浮上して油膜となり、 大気に接して酸化分解してしまい、N2, CO2, H2Oに戻ったでしょう。 一方、アミノ酸、核酸塩基、糖は親水性なので水に良く溶け込み、海水中に分散できます。 海水に溶け込むことによって、酸化的な大気と遮断され、分解せずにサバイバルできたのです。 第２段階：より安全な海底へうまく移動した有機分子当時の海には様々な微粒子がコロイドとなって浮遊しています。隕石の海洋衝突で生じた金属微粒子、ケイ酸塩微粒子、粘土鉱物の微粒子などです。 中でも、粘土鉱物は有機分子を吸着する性質があります。 アミノ酸や核酸塩基などの生物に必要な有機分子を吸着した粘土鉱物は 相互に凝集して海底に沈殿したと考えられます。 粘土鉱物：粘土の主成分で、シート状のケイ酸塩鉱物。 鉱物の表面が帯電しているので、分子やイオンがくっつきやすい。 海中よりも海底の方が還元的な環境（酸化・分解を免れる環境）です。なぜなら、 当時の海底の沈殿物は隕石起源の金属微粒子（還元的な粒子）を主体とするからです。 有機分子は、大気⇒ 海中⇒ 海底⇒ 海底下 と、より酸化・分解から保護される 安全な還元的環境に移動することで保存され濃縮されたのです。 第３段階：有機分子が高分子化したのは海ではなく地下だ！多くの教科書では、「生命は海で生まれた」と書かれています。いわば常識です。しかし、海での分子進化には矛盾があるのです。その矛盾とは... アミノ酸のような小さな有機分子が、海底で自然に1000個以上も順次つながって タンパク質のような巨大分子に重合することは化学的に不自然なのです。 分子と分子がつながる重合反応は脱水反応です。 しかし、多量に水がある海中は、逆に加水分解が進行する条件です。 しかも、塩基やアミノ酸配列には厳密な順番があり、 海水中でそんな重合反応が次々と起こり続けることはまず不可能でしょう。 では、加水分解の環境の中でいかに逆向きの脱水重合反応を進められるか？ この難問を解くため、中沢氏は、 「海中ではなく、海底下に深く埋没した後で反応が進んだ」と主張します。 有機分子の重合反応が起こりやすい、脱水環境・還元的環境は 海中ではなく海底下に存在するからです。 中沢氏によれば、そうした重合反応＝分子進化は、水溶液中での反応ではなく、 鉱物の表面や界面などに囲まれた場での反応であった可能性が高いというのです。 アミノ酸の高分子化。点線で囲まれた部分をペプチド結合と呼ぶ。 この脱水重合反応によってアミノ酸は直鎖状に高分子化する。 R1, R2はアミノ酸の側鎖。Rは20種類ある（つまりタンパク質を作るアミノ酸は20種類） 海底下３km、温度200℃ でのサバイバル！粘土層は年月をかけて累々と積み重なり、数kmまで埋没すると、圧力や温度がかなりのレベルまで上昇します。 厚く積み重なった粘土層の荷重で圧力を受け、粘土の中から水が絞り出されます。 絞り出された水は、最終的に海面にしみ出します。地下水の移動、湧き水のような現象です。 粘土層から水が抜けて移動していく過程で、 何1000mも積み重なった粘土層はフィルターの役割りをして、 水に溶け込んでいた有機分子は濾過されて濃縮していったでしょう。 特定の分子だけがどこかに濃縮することもあったかもしれません。 有機分子が濃縮することは脱水重合するための条件です。 温度が上昇し、還元的な場であれば、なおさら重合に好都合です。 これは、生物の遺骸の有機分子が、還元的な地下で重合して 重油やタールのような巨大分子になるのと似ています。 中沢氏の実験によれば、 地下３km相当の圧力で、200℃以下であれば、アミノ酸は重合して高分子化します。 さらに高温であれば、グラファイト（炭）になることが実証されました。 これは何を意味するのでしょう？ 有機分子は地下深くで高分子化することで分解されずに生き残り、 それが200℃以下の環境で保存された高分子の一部がやがて生命に進化し、 200℃以上の環境に持ち込まれた高分子は石油やグラファイトになったのでしょう。 今後の実験で、高温高圧の還元状態で、どこまでアミノ酸の高分子化が進むのかが 解明されるでしょう。まだまだ研究途上です。 重要なポイントは、40-38億年前に海洋への隕石の衝突が激しかった時期があり、 当時の海底は大量の金属微粒子が厚く沈殿し、 重合反応が進む還元的な環境だったということです。 そのような時代は、地球史を通じて40-38億年前だけです。 有機分子が海底下で高分子となってサバイバルできたのも、 40-38億年前のワンチャンスを生かしたからでしょう。 まとめ（ココだけ読めばわかります）● 40-38億年前、隕石の海洋衝突による有機分子のビッグバンで有機分子が生成。● 大気圏の有機分子は雨滴となって海に回帰し、大気中の酸化・分解からサバイバル。 ● 親水性の有機分子は海水中に溶解して分散。疎水性有機分子は油膜となって酸化・分解。 ● アミノ酸や核酸塩基は粘土粒子に吸着して海底（還元的環境＝安全な場所）に沈殿。 ● 海底下に埋没した有機分子は脱水重合によって高分子化し、高温高圧環境からサバイバル。 ● 有機分子は40-38億年前のワンチャンスを生かし脱水重合で高分子化によって海底下で生き延びた。 次回は、「高分子の組織化と生命の発生」生命は温泉で生まれた？？？ 週間ランキング▶▶▶ 6位/581 (08/10/30) 2位/181 (08/10/25) 2位/420 (08/10/27） |
㈠地球と生命の進化
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エコ医局さん、こんにちは。
地球と生命の進化はまさに奇跡の連続ですね。
アミノ酸は上空で合成され、海を通過して保護され、海底下で生き延びてタンパク質へ向けて進化した、という事がこの話のポイントです。
2008/10/19(日) 午前 11:26
小さな分子から、大きな分子ができていく・・・自然の摂理に反しているようで不思議です・・・ 単なる化学物質が、生命に進化するには 大きな壁がありそうにおもうのですが・・・
2008/10/19(日) 午後 9:33
てつさん、こんばんは。
そのようにお考えになるのは当然で、進化は生物界全体のエントロピーを小さくする現象なので、熱力学の第二法則に矛盾します。しかし一見矛盾に見えてしまうトリックは熱の移動です。熱力学第二法則は宇宙に熱の出入りがないことを前提にしています。熱の出入りがなければエントロピーは一方的に増大（組織化ではなく単純化）するはずです。
2008/10/19(日) 午後 10:23
（続き）しかし、地球の歴史は高温からの冷却の歴史です。現在でもそうです。熱の放出が続く限り、地球全体のエントロピーは減少します。その分、地球はだんだんと複雑な構造に組織化しなければなりません。その結果、地球の構造は、核、マントル、地殻、海洋、大気という、中心部ほど重い元素からなる層構造に組織化しました。地球表層に濃集したH, C, N, Oの軽元素が有機分子となり、生物を作ってエントロピーの低い状態に組織化するのも、地球のエントロピー低下の一部と考えることができます。
2008/10/19(日) 午後 10:28
なんとなくそんな気もするのですが、アンモニアのような簡単な分子から原始生命まで、単なる化学反応でシームレスに繋がっていることが、不思議です。 試験管の中で生命を作ることができるわけですね。。。
2008/10/21(火) 午前 0:47
てつさん。試験管でシームレスに生命までというのは不可能です。
重合、小胞の形成、代謝、複製などの個々の基本的な機能のヒントになる現象を再現できるようになった過ぎません。それらをもとに科学者たちが仮説を立て、ようやくそれらしい推論ができるようになってきたようです。それもここ10年でです（次回でもう少し詳しく書きます）。
2008/10/21(火) 午前 8:00
（続き）参考図書『生命の起源・地球が書いたシナリオ』というタイトルが示すように、生命の進化は地球の歴史の一部であり必然であると筆者は考えています。二度と起こらない事件が積み重なり、ダイナミックに進化する地球環境の中で、（地球という”試験管”で）無数に試行錯誤をして、何億年、もしくは10億年以上もかけて成功したのが生命の誕生であると。（第３話へつづく）
2008/10/21(火) 午前 8:24
やっぱり「積み木を高層ビルから投げたら、下で家ができていた」
くらいの 二度と起こらない事件が積み重なる必要があるんですね。
生命の起源って不思議ですね・・・
2008/10/22(水) 午前 1:37
てつさん。核心を突くコメント、ナイスな例えをありがとうございます。
ですが、若干ニュアンスが違いますので補足させて下さい。「積み木から家」と「二度と起こらない事件」は切り離してお考えください。
2008/10/22(水) 午後 1:05
簡単な分子から一つ一つ反応を進めて生命を作り上げようとするのは「積み木を高層ビルから投げたら…」のように不可能ですが、最近の研究によれば、初期地球の状態を考慮することにより、進化の個々のプロセスをもっと必然性をもって推論できるようになってきた、というのがこのシリーズの趣旨です。
例えて言うなら「昔、高層ビル（地球）が建築中だった時には、ビルの周りに足場があったし、作業員も大勢いたので、屋上にある積み木で家らしきもの（生命）は下に建てられたかも知れない？？？」
2008/10/22(水) 午後 1:12
一方、「二度と起こらない事件の積み重ね」というのは、ちょっと説明不足でした。地球の歴史は人生と同じで二度と繰り返せない、元に戻せないという意味です。その時しか存在しなかった環境には、その時にしか起こりえなかった進化があって、それが環境と進化が織りなす「地球が書いたシナリオ」だろうということです。（抽象的ですみません）
続きは次回で...
2008/10/22(水) 午後 1:26
丁寧な説明ありがとうございます。次回楽しみです・・・
2008/10/22(水) 午後 11:25
前、NHKの地球大進化で見た知識ですが・・・
40億年前の惑星衝突→全海洋蒸発が ポイントじゃないかと思うのです。
生命誕生はその前の原始地球の段階であったのか その後の海の再現中に起こったのかによって 生命誕生のプロセスが違うような気がします。
2008/10/25(土) 午前 5:40
生命誕生のカラクリで最近私が関心があるのは石油無機起源説との関連です。もしその説が正しければ、地下に太古から膨大な有機物の供給源があったことになりませんか。
2008/10/25(土) 午前 7:09
あすかさん。重要なポイントの指摘をありがとうございます。
たしかに40億年前に巨大隕石が衝突して全海洋が蒸発したという説がありますね。隕石のサイズによってはありうる話かもしれません。もし全海洋が蒸発してしまった場合で、かつそれまで生命が誕生していた場合は、(1)それまでの進化は完全にリセット＆やり直し、または (2) 地下でバクテリアがサバイバル、でしょうか。
2008/10/25(土) 午後 0:51
ワゴンさん、お久しぶりです。
地球の原料である隕石にはもともと炭素や有機物が含まれているので、地球深部で炭化水素が重合すれば（量はわかりませんが）石油やガスが生成することは可能なんでしょうね。地下の有機物が生命の起源と関与した可能性も否定できないと思います。
2008/10/25(土) 午後 0:52
実験的に高分子化が確認できたとして、どうやってアミノ酸自体は集積したのだろう？と前々から疑問を感じていました。海底沈殿、埋没、濾過濃縮、高分子化、とても興味深い説です。tani
2008/10/25(土) 午後 7:46 [ biological ]
taniさん。
生命の化学進化は「スープ説」と呼ばれたり、「海は生命の母」という言葉もあるように、進化の舞台は海だ、と思われがちでしたが、中沢氏が指摘するように、化学進化は'''海底下で進んだ'''と考える方が自然ですね。
2008/10/25(土) 午後 9:47
難しかったですが、やっと理解しました。
ワンチャンスを生かした地球って素晴らしい!!!
どこかで聞いた「奇跡の星・地球」と言っていた事が良く分かりました。
ちょっと「ペプチド結合」や「これらの化学式？」を忘れてしまったのですが…。
これでも研究室で細胞実験で就職していた時期もあったのですが、
物理化学は試験の為にただ覚えていただけで、何も分かっていなくて、
実験をしていた時も教えて貰ったとおりにいつもやっていただけだったもので…。
またポチ☆させてください。 by ミカコ♪
2008/11/22(土) 午後 0:56
ミカコさん、こんにちは。ご購読ありがとうございます。
ワンチャンス、つまりその時しか存在しなかった環境をうまく利用し、気が遠くなるような時間をかけて生命が誕生したのでろうと思います。
実験の経験ありですか？すごいですね。
聞いた事がある化合物が出てくると、専門書などもいくぶん読みやすいですよね。
2008/11/23(日) 午後 2:38