地球上の生命は薄い空気と水からどのように形成されたのか

地球上の生命の起源は、実存的かつ科学的な謎として深く残されている。地球の豊かな海がその秘密を解く鍵を握っているのではないかという説は長い間唱えられてきた。パデュー大学の科学者による新たな研究は、その考えをさらに一歩前進させるかもしれない。

10 月 3 日に米国科学アカデミー紀要(PNAS) に発表された論文は、ペプチドについて考察しています。ペプチドとは、タンパク質や生命そのものの重要な小さな構成要素であるアミノ酸の鎖です。著者らは、滝が岩に落ちて水しぶきが空中に舞い上がるときなど、水が大気と接触したときに起こる素早い反応中に、水滴の中にアミノペプチドが自然に生成されることを発見しました。この反応は、生命が初めて誕生した約 40 億年前、地球が生命のない、火山性の、水の多い、溶けた岩で満たされた惑星だったときに起こった可能性があります。

「これは本質的に生命の起源の背後にある化学です」と、この研究の著者であり、パデュー大学の分析化学教授であるグラハム・クックス氏はプレスリリースで述べた。「これは、原始的な分子、単純なアミノ酸が、純粋な水の滴の中で生命の構成要素であるペプチドを自発的に形成するという初めての実証です。これは劇的な発見です。」

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研究論文の中で、著者らは、この発見は「最初のバイオポリマー」、つまり生物が作り出す複雑な構造の形成への「もっともらしい道筋」を示していると書いている。地球上で生命がどのように（そしてなぜ）誕生したかという秘密を解読することは、科学者が他の惑星、さらには銀河系やその先の衛星で生命を探すのに役立つため、科学者らは何十年もの間、これがどのように機能するかを理解する目標に向かって少しずつ取り組んできた。

この水ベースの化学を理解するには、地球上の生命を創ったタンパク質に遡る必要があります。数十億年前、生命を創ったアミノ酸の原料は、隕石によって地球に運ばれたと考えられています。これらのアミノ酸は反応してくっついてペプチドを形成し、それがタンパク質の構成要素となり、最終的には生命そのものとなります。しかし、ペプチドを形成するには、アミノ酸がくっついて水分子が失われる必要があります。ほとんどが水で覆われている惑星では、これは容易なことではありません。基本的に、生命が形成されるには水が必要ですが、ある程度の水の喪失も必要です。

クックス氏はこの「水のパラドックス」について、 VICEに次のように説明した。「水のパラドックスとは、(i) 生命につながる化学反応が生命誕生前の海で起こったという非常に確かな証拠と、(ii) まさにこれらの（水分喪失）反応が水中で起こることに対する熱力学的制約との間の矛盾です。タンパク質は水分喪失によってアミノ酸から生成されます」また、「水中での水分喪失は、そのプロセスが水によって逆転するため（熱力学的に禁忌）、起こりません。」

この新しい研究は、地球の初期の時代、無生物の化合物が突然結合して生物を形成した時代を垣間見るという、めったにない機会を与えた。無生物が生命を生み出すこのプロセスはアビオジェネシスと呼ばれ、その仕組みはまだ完全には解明されていない。ペプチドはタンパク質（および自己複製可能なその他の生体分子）の基礎を形成するため、ペプチドの生成はアビオジェネシスの重要なステップである。

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クックス氏と彼のチームは、数十億年前に地球上に存在していたような化学環境ではペプチドが容易に生成できることを実証した。しかし、重要な点は、空気中を飛んだり岩を滑り落ちたりして空気と相互作用し、迅速な化学反応を起こす小さな液滴のサイズである。「液滴内での反応速度は、同じ化学物質がバルク溶液内で反応する速度の 100 倍から 100 万倍も速い」とクックス氏は述べた。

この素早い化学反応は、反応を開始するための触媒を必要としないため、地球上の生命の進化が可能になりました。研究チームは「液滴融合」実験を使用して、空気中で水滴が衝突する様子をシミュレートするペプチドの形成を再現しました。アミノ酸がタンパク質に合成される際に行われる化学合成プロセスを理解することで、合成化学者は、新薬や病気の治療薬の開発に不可欠な化学反応を加速することができます。

「夜に大学のキャンパスを歩いてみると、明かりがついている建物は合成化学者が働いているところです」とクックス氏は言う。「彼らの実験は非常に遅いので、一度に何日も何週間もかかります。これは必要ありません。私たちは液滴化学を利用して、新しい化学物質や新薬候補の合成をスピードアップする装置を作りました。現在、この装置はパーデュー大学で使用されています。」