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生物の起源と歴史
353755 最初の生命は、深海の熱水活動域で電気をエネルギー源として生まれた
 
斎藤幸雄 HP ( 56 愛知 建築設計 ) 20/02/15 AM00 【印刷用へ
生命の誕生と初期進化のシナリオ『深海熱水電気化学メタボリズムファースト生命起源説(JAMSTECモデル)』を紹介します。この説は、海洋研究開発機構(JAMSTEC)の高井 研氏が提唱する説で、「生命は約40億年前に深海の熱水噴出孔で誕生し、超好熱メタン菌や超好熱酢酸菌、超好熱鉄還元菌となり、それらを一次生産者とする持続的始原的生態系を形成して深海底に点在する熱水環境に広がっていた」というものです。その理由は、深海の熱水噴出孔が「エネルギーが持続的に供給される場所」だからと考えられています。

熱水噴出孔では最近、化学エネルギー以外のエネルギー源も見つかっています。それは電気エネルギーで、沖縄トラフで熱水噴出孔を含む100メートル四方の広い範囲にわたって電気が流れている事が確認されています。熱水噴出孔から噴き出す熱水には、電子を放出しやすい硫化水素や水素が多く含まれ、放出された電子が熱水噴出孔の硫化水素の中を移動する事で電気が流れ、それにより持続的にエネルギーが供給されていたと考えられています。

以下、JAMSTEC(リンク)の広報誌「Blue Earth: 海と地球の情報誌 第31巻 第2号(通巻160号)」より一部転載。
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 無機物から有機物がつくられ、それを材料にして生命が誕生した。無機物から生命の材料がつくられていく過程を化学進化という。化学進化にはエネルギーが必要だが、そのエネルギー源や化学進化のメカニズムが分かっていなかった。そうしたなか、深海熱水噴出孔周辺で発電現象が自然発生していることを、2017年に発見。電気のエネルギーは、さまざまな化学反応を促進できる。さらに、深海熱水噴出孔には触媒能を持つ硫化鉱物が豊富に存在している。また、熱水噴出孔の内部には微小な穴があり、その1個1個が細胞のような役割を果たして化学反応が効率よく進み、つくられた材料も拡散しない。

 そのような環境で連鎖的な化学反応が起き、無機物から有機物が次々とつくられ生命の誕生に至った──それが深海熱水電気化学メタボリズムファースト生命起源説である。連鎖的な化学反応によって生命に必要な物質を合成する過程は、原始的な代謝(メタボリズム)だ。代謝が生命の誕生より先に成立しているので、メタボリズムファーストである。生命の起源についてはさまざまな説があるが、独創性、革新性、発展性において極めて画期的な説であるとして注目されている。

 「深海熱水噴出孔における電気化学反応を再現する装置を用いて、生命の材料をつくり出せるかを確かめ、シナリオの完成を目指しているところです。『JAMSTECの生命起源論』として、『ダーウィンの進化論』のように世界に広めたい」と高井さんは意気込む。「しかも、この研究は地球外の天体における生命誕生の可能性にも広がっていきます」

 土星の衛星エンケラドスは、表面を氷で覆われ、その下には液体の海がある。2015年、JAMSTECによるエンケラドスの環境を再現した実験から、エンケラドスの海底では熱水活動が起きていることが明らかになった。地球の生命が深海熱水電気化学メタボリズムファーストで誕生したのであれば、熱水活動が起きているエンケラドスでも生命が誕生している可能性がある。「ぜひエンケラドスの生命探査を実現したい」と高井さん。すでにアメリカ航空宇宙局(NASA)や日本の宇宙航空研究開発機構(JAXA)などの研究者と検討を始めている。

2018年には、初期生命の代謝について大きな発見があった。沖縄トラフの熱水活動域から採取し、生命の起源に近い原始的な系統に属しているThermosulfidibacter takaiiというバクテリア(真正細菌)のTCA回路(クエン酸回路)を詳しく調べることで得られた成果だ。TCA回路は生命に不可欠な化合物を生合成する代謝機構で、有機物を無機炭素から合成する独立栄養生物も、有機物をほかから取り入れる従属栄養生物も持っている。独立栄養生物では反時計回り、従属栄養生物では時計回りで反応が進み、それぞれ酵素群も異なる。ところがそのバクテリアは、独立栄養か従属栄養かによってTCA回路の反応の向きを切り替え、まったく同じ酵素を用いて化合物を合成できるのだ。いままで、そのような生物は報告されていない。

 高井さんは、「初期生命が誕生したころの地球は、環境がダイナミックに変動していました。生命が利用できる物質も変化するため、その種類や量に応じて柔軟に代謝を変更していたのでしょう」と解説する。「初期の生命は独立栄養か従属栄養か、長く議論されてきましたが、この発見によって混合栄養だった可能性が出てきました。それは、深海熱水電気化学メタボリズムファースト生命起源説と矛盾することではありません」
 
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