Atmospheric UV synthesis of aldehydes and oxidant from CO2, CO and H2O initiating the first ancestral metabolism

生命が始まる前に、地球には単純で生命力のないガスを、生物学的な複雑な構成要素へと変える方法が必要でした。科学者たちは、この移行がどのように起こったのかについて長年議論してきました。焦点は、RNAのような遺伝分子が最初に現れたのか、あるいは現在私たちが代謝と呼んでいる化学反応のネットワークが先に現れたのかという、主に2つの可能性に絞られています。どちらのシナリオにおいても、出発点は同じです。初期の大気は二酸化炭素、一酸化炭素、そして水蒸気で満たされていました。問題は、いかにして太陽光がこれらの材料に作用し、生命の始動に必要な糖類、酸、そしてタンパク質を作り出せたのかということです。数十年にわたり、研究者たちは太陽光が一酸化炭素と水をホルムアルデヒド（単純な糖のような分子）に変えられることを知っていました。しかし、このプロセスが生命システムを始動させるために必要な多様な化学物質を生み出すことができるのか、あるいは初期の地球の過酷な酸化環境が、これらの脆弱な分子が何らかの役に立つ前に単に破壊してしまうのではないかについては、不明なままでした。

東京科学大学の植野雄一郎氏率いる研究チームは、この大気化学がこれまで考えられていたよりもはるかに生産的で複雑であることを実証しました。初期の地球の大気条件をガラス瓶の中でシミュレートすることにより、彼らは太陽光が単にホルムアルデヒドを作るだけでなく、アセトアルデヒドやグリオキサールを含む一連の小さなアルデヒド類を作り出すことを示しました。これらのガスが水に溶け込むとき、それらは単にそこに留まったり分解されたりするわけではありません。代わりに、それらは現代の生物学的呼吸の核心的なプロセスを模倣した、自律的なサイクルの中で互いに反応し始めます。学術誌『PEPS』の改訂版に掲載されたこの研究は、原始的な形態の代謝が、太陽光、水、および炭素ガスの相互作用から自然発生的に出現し、生命が最終的に根を下ろすための安定した化学的基礎を提供した可能性を示唆しています。

実験は、ガラス容器に一酸化炭素、二酸化炭素、および水蒸気を満たし、それを初期の地球の強烈な日光を模した紫外線にさらすことから始まりました。研究者たちは、光が水分子を分解し、炭素ガスを攻撃する非常に反応性の高い断片を作り出す様子を観察しました。彼らは、期待通りのホルムアルデヒドだけでなく、かなりの量のアセトアルデヒドとグリオキサールが生成されることを見出しました。これらの分子は、より大きく複雑な構造を構築するための出発点となるため、極めて重要です。チームは次に、これらのガスがフラスコ底の液体の水に溶け込んだ後、どのように振る舞うかを追跡しました。水の中では、化学反応はさらにダイナミックになりました。溶解したアルデヒドは、糖の前駆体であるヒドロキシアルデヒドや、グリコール酸や乳酸といった様々な酸を形成するために反応しました。

この発見を特に驚くべきものにしているのは、システムの経時的な挙動です。研究者たちは、太陽光が有機分子を破壊する可能性のある強力な酸化剤を生み出す一方で、特定の化学物質のセットが生き残り、さらには自己再生することを確認しました。システムは、小さな分子が結合してより大きな分子を形成する「縮合」、酸素を取り込んで酸になる「酸化」、そして炭素原子を失ってより小さな形態に戻る「脱炭酸」のサイクルを通じて機能していました。このサイクルにより、グリコールアルデヒドやアセトアルデヒドといった特定の分子が継続的にリサイクルされることが可能となりました。著者らはこれを「原始的呼吸サイクル（Primitive Respiration Cycle）」と呼んでいます。これは、新鮮なアルデヒドが供給され続ける限り、特定の分子のセットを循環させ続け、それらが完全に二酸化炭素へと分解されるのを防ぐ化学的なエンジンのように機能します。

また、研究では、初期の環境における窒素の存在をシミュレートするために、この混合物にアンモニアを導入した場合に何が起こるかも調査されました。その結果も同様に説得力のあるものでした。既存の炭素ベースの分子のネットワークがアンモニアと反応し、タンパク質の構成要素であるアミノ酸や、ヘテロ環窒素化合物を作り出しました。これらの窒素環は、現代の生物学的代謝において不可欠な助け手である補酵素と構造的に類似しています。研究者たちは、システムが特定のタイプのアミノ酸、特に今日の生命によって使用されているものを自然に選択し、代替的な形態のものは少なく生成することを発見しました。これは、化学的な環境自体がフィルターとして機能し、最終的に細胞の一部となる分子を優先させた可能性があることを示唆しています。

研究者たちは、これがまさにこの方法で生命が始まったことを証明するものではないと慎重に述べていますが、最初の代謝ネットワークがどのように形成され得たかについての、妥当かつ堅牢なメカニズムを提供しています。彼らが観察したシステムは自己組織化されており、つまり、酵素や遺伝的な指示を必要とせずに、独自の秩序を作り出します。それは完全に、化学の物理法則と太陽から提供されるエネルギーに依存しています。この研究は、ホルムアルデヒドが大気光化学の唯一の重要な生成物であったという考えを否定し、代わりに、多様な反応性分子のスープが不可避であったことを示しています。また、初期の大気の酸化的な性質が有機物の蓄積を妨げたであろうという概念にも異を唱えています。むしろ、この研究は、これらの分子を破壊しようとする酸化剤そのものが、サイクルを回転させ続ける原動力でもあることを示しています。

結局のところ、この研究は、大気と海洋が継続的な化学的な対話を行っていた、生命誕生前の地球の姿を描き出しています。太陽光が単純なガスを複雑な有機物の混合物へと変換する原動力となり、それが水へと沈殿して、安定したリサイクリング・ネットワークを形成しました。このネットワークは長期間存続し、生命に必要な材料を蓄積することができたはずです。リン酸塩の利用可能性や区画化の形成といった適切な条件が整ったとき、この化学システムは、私たちが認識している酵素的および遺伝的なシステムへと移行できた可能性があります。この知見は、代謝の設計図が稀な偶然ではなく、太陽に照らされた惑星の化学が生み出した自然な帰結であったことを示唆しています。それは、進化の次のステップが始まるのを待っていたのです。