生命の起源｜サイエンス

ワシントンD.C.の丘陵地帯にある緑のキャンパスには、カーネギー科学研究所の地球物理学研究所と古風な名前の陸上磁気学科の2つの部門が置かれている。 1902年の設立当時、地球の磁場を測定することは、航海用地図の製作者にとって緊急の科学的ニーズであった。しかし今、ここで働く人々、たとえばボブ・ヘイゼンは、もっと根本的なことに関心を持っている。ヘイゼンと彼の同僚たちは、この研究所の「圧力爆弾」（パン箱サイズの金属製シリンダーで、鉱物を地球内部の非常に高い温度と圧力まで絞り、加熱する）を使って、生命の起源を読み解くことに他なりません。これは、深海底にある熱水噴出孔が、溶けた岩石によって華氏数百度まで加熱された水であることが科学者によって発見されてから約20年後の1996年に、彼はこの研究を開始しました。この熱水噴出孔は、巨大なミミズや盲目のエビ、硫黄を食べるバクテリアなどが生息する奇妙な海中生態系を形成している。 Hazen 氏と彼の同僚たちは、豊富な鉱床と高温の水を低温に噴出する亀裂を持つ複雑な高圧噴出環境が、生命の始まりの場所かもしれないと考えていました。この装置（専門的には「内部加熱型ガス媒体圧力容器」）は、超高性能の台所用圧力鍋のようなもので、1800度を超える温度と海面大気圧の1万倍という圧力を発生させることができる。 (

この装置の最初の実験では、数ミリグラムの水、ピルビン酸という有機化学物質、二酸化炭素を発生させる粉末を、自分で溶接した金製の小さなカプセル（中の化学物質と反応しない）に詰め込みました。そのカプセルを3個、480度、2,000気圧の圧力爆弾の中に入れた。そして、昼食に出かけた。 2時間後、カプセルを取り出すと、中身は何万種類もの化合物になっていた。その後、彼は窒素やアンモニアなど、初期の地球に存在したと思われる分子を組み合わせて実験した。この実験により、ヘイゼンらはアミノ酸や糖類など、生命の材料となるあらゆる種類の有機分子を作り出したのである

ヘイゼンの実験は転機となった。それ以前の生命の起源研究は、1871年にチャールズ・ダーウィンが書いたシナリオに沿って進められていた。「しかし、もし（ああ！なんと大きな！）ある暖かい小さな池で、あらゆる種類のアンモニアとリン酸塩、光、熱、電気などが存在し、タンパク質化合物が化学的に形成され、さらに複雑な変化を遂げる準備ができたと考えることができたら…」

1952年にシカゴ大学の化学の大学院生スタンリー・ミラーがダーウィンの夢を実現しようと試みました。ミラーは、初期の海を表す水を入れた容器を、アンモニア、メタン、水素の入った容器にガラス管でつなぎました。そして、炎で水を加熱し、蒸気を上方に放出した。大気のフラスコには、稲妻を模した電気の火花が散りばめられている。この実験は、ミラーの指導教官であったハロルド・ユーレイが、時間の無駄と考えたほど、長丁場であった。しかし、数日後、水は真っ赤に染まった。

それから44年後、ボブ・ヘイゼンの圧力爆弾の実験により、雷だけでなく熱水噴出孔も生命を生み出す可能性があることが示されることになる。生命の基本的な分子は、熱水噴出孔の近くや火山、さらには隕石など、あらゆる場所で形成可能であることがわかったのです。宇宙生物学者は、宇宙の岩石を割って、アミノ酸、糖や脂肪酸に似た化合物、RNAやDNAに含まれる核酸塩基を発見しています。ですから、地球上の生命の最初の構成要素のいくつかは、宇宙から来たという可能性さえあります。「数年前なら、生命の起源のコミュニティから一笑に付されていたでしょう」と彼は言います。しかし、当時宇宙生物学プログラムを立ち上げていたNASAは、生命が他の惑星やその衛星のような変わった環境で進化した可能性があるという証拠を探していたのです。「NASAがエウロパ、タイタン、ガニメデ、カリスト、火星に行くことを正当化したのです」とヘイゼンは言う。生命がそこに存在するとすれば、それは地表の下、暖かく高圧の環境である可能性が高い。

地球に戻ったヘイゼンは、2000年までに「生命の基本構成要素を作るのは簡単だ」という結論を出したという。もっと難しい問題だ。それは、「どのようにして、正しい構成要素を組み込んだのか」ということだ。アミノ酸にはさまざまな種類がありますが、生物がタンパク質を形成するのに使うのはその一部だけです。

カーネギー研究所の研究棟の窓際の一角で、ヘイゼンはメモ帳に分子を描き、生命への道のりの最も初期のステップをスケッチしている。「前生物期の海があり、海底には岩石があります。「基本的にここには、溶液中に浮遊している分子がありますが、非常に希薄なスープなのです。初期の海で新しく生成されたアミノ酸にとって、それは実に孤独な人生だったに違いありません。原始時代のスープ “というと、濃厚な感じがしますが、ビーフシチューではありません。広大な海の中のあちこちに、数個の分子があるだけだったのだろう。「だから、ここにある分子がここにぶつかって化学反応を起こし、より大きな構造物を形成する可能性は限りなく低いのです」とヘイゼンは続ける。熱水噴出孔の周りに堆積した鉱床であれ、地表の潮だまりに並んだ岩石であれ、孤独なアミノ酸同士が出会うための仲人役だったのかもしれない、と彼は考えています。鉱物の表面にある分子にも質感があります。水素原子は鉱物の表面をさまよい、電子は周辺のさまざまな分子と反応する。鉱物の近くに漂うアミノ酸は、その表面に引き寄せられるかもしれない。カーネギーの研究所では、ヘイゼンの同僚たちが、この求愛の最初のステップを研究しています。 Kateryna Klochkoは、他の実験や多くの数学と組み合わせることで、ある分子が鉱物にどのように付着するかを示す実験を準備しています。鉱物にぴったりとくっつくのか、それとも、分子が1カ所だけくっつき、他の部分は動きやすくなって、他の分子と結合する可能性が高くなるのか。

Klochko はラック、プラスチックチューブ、必要な液体を取り出しています。「とても退屈で退屈な作業になりますよ」と彼女は警告する。彼女は4インチのプラスチックチューブに粉末の鉱物をほんの少し入れ、アミノ酸の一種であるアルギニンと、酸度を調整するための液体を加える。そして、その溶液の中にガスを吹き込みながら、待つこと8分。面倒な作業だが、集中力が必要なのだ。「一つひとつの工程が大切なんです。「ひとつひとつの工程を間違えると、データがおかしくなってしまうんです。でも、どこで間違えたのかがわからない。彼女は、7本のチューブの中で、7回成分を混ぜます。彼女が作業をしていると、ラジオから「The Scientist」が流れてくる。「

2時間後、サンプルはローテーター（試験管用の高速観覧車のようなもの）に入れられ、一晩中混ぜ合わされます。残りのアミノ酸は鉱物の粉末の小さな表面に付着しているはずです。

彼女や他の研究者は、異なる鉱物と異なる分子で、さまざまな組み合わせで何度も同じ実験を繰り返す予定です。目標は、ヘイゼン氏らが、地球初期の海で起こったかもしれないような、より複雑な相互作用を予測できるようになることです。

分子が鉱物とどのように相互作用するかの研究から、生命の始まりを理解するまで、どれくらいかかるでしょうか。それは誰にもわかりません。ひとつには、科学者たちが生命の定義に決着をつけていないことがある。誰もが、生命とは何か、自己複製と世代から世代への情報伝達が鍵であるという一般的な考えを持っています。カリフォルニア州ラホーヤにあるスクリプス研究所のジェラルド・ジョイス氏は、その定義は「『ぐにゃぐにゃしているもの』のようなものであるべきだ」と冗談交じりに語っています。「アミノ酸が結晶にくっつく現象は、環境中のいたるところにあります。体内のアミノ酸はチタンの関節にくっつき、細菌の膜はパイプの中で増殖し、タンパク質と鉱物が出会うところではどこでも、アミノ酸が結晶と相互作用しているのです。「あらゆる岩石、あらゆる土壌、建物の壁、歯や骨と相互作用する微生物、それはどこにでもある」とヘイゼンは言う。

チェサピーク湾を見下ろす週末の隠れ家で、ヘイゼン（61）は双眼鏡を通して、円状に揺れ動き、さもなければ静かな水をかき混ぜる何羽かの黒と白の鴨をのぞき込んでいる。魚の群れを作っているのだろう。妻のマージーを呼び、見に行くことにした。「6920>

リビングルームの棚には、ビーチグラス、バスケットいっぱいの鉱物、フジツボやサンゴ、ホオジロザメの歯の化石など、夫妻が近くで見つけたものが並べられています。干潮時に海岸で発見された1500万年前の鯨の顎骨は、ダイニングテーブルの上にバラバラに広げられ、ヘイゼンがクリーニングしているところです。「

ヘイゼンが先史時代に興味を持ったのは、クリーブランドの子供時代で、化石の採掘場からそれほど遠くない場所で育ったことがきっかけでした。「9歳か10歳のとき、初めて三葉虫を採集しました」と彼は言います。何百万年も前に絶滅した海の節足動物を、「ただカッコイイと思っただけなんです」と彼は言う。家族でニュージャージー州に引っ越した後、中学2年生のときの理科の先生が、近くの町の鉱物を調べるように勧めてくれました。「地図や道順を教えてくれたり、標本をくれたり、親が連れて行ってくれたりしました」とヘイゼンは言う。「マサチューセッツ工科大学で古生物学の授業を一緒に受けた後、ヘイゼンと後に妻となるマージー・ヒンドルは、三葉虫の収集を始めました。今では何千匹もいるそうです。「信じられないほどかわいいものもありますよ」とヘイゼンは言う。「6920>

メリーランド州ベセスダにあるヘイゼン夫妻の自宅のオフィスと地下の客室には、棚を覆い、机の引き出しやキャビネットを埋め尽くすほどの三葉虫が生息しているのです。今は成長した彼の子供たち、アートセラピストになる勉強をしているベン（34歳）と、教師をしているリズ（32歳）が描いた三葉虫の絵も飾られている。「これこそ究極にかわいい三葉虫だ」と彼は言いながら、キャビネットに手を入れ、パラレジュルスを取り出した。 “これを愛さない手はないでしょう”

ヘイゼンは自らを “ナチュラル・コレクター “と称している。たまたま買った額縁にブラスバンドの写真が飾ってあったのをきっかけに、ブラスバンドの写真を買い集め、ついにはブラスバンドの歴史「ミュージック・メン」を書き上げ、ほとんどすべての町にブラスバンドがあったというアメリカの時代背景を紹介した。 (ボブは1966年からプロとしてトランペットを演奏している）また、地質学に関する18世紀と19世紀の詩のコレクションを出版しているが、そのほとんどはかなりひどいものだと言う（「そして岩よ！片岩、片麻、何であれ／多様な地層、私には難しすぎる名前」）。しかし、この夫婦は物事にこだわらない傾向がある。「変に聞こえるかもしれないけど、私はコレクターとして、決して物欲が強くないんだ」とボブは言う。「手に取って間近で見ることができるのは、本当に特権です。でも、個人の手に渡るべきものではないんです」。ヘイゼン・コレクション・オブ・バンド・フォトグラフ＆エフェメラ（約1818～1931年）は、現在、国立アメリカ歴史博物館に所蔵されているのは、そのためです。ハーバード大学には、彼が中学2年生のときに始めた鉱物コレクションがあり、ヘイゼン夫妻は三葉虫を国立自然史博物館に寄贈しているところです。

鉱物が生命の進化を助けたかもしれないとしばらく考えた後、ヘイゼンは現在、その反対側、すなわち生命が鉱物の発達を促したかについても調査しています。太陽系以前の塵の粒の中には、ダイヤモンドやグラファイトを含む約12種類の鉱物しかなかったと、彼は説明します。太陽系以前の塵の中には、ダイヤモンドやグラファイトなど十数種類の鉱物があったが、そのうちの50種類ほどが太陽の発火に伴って形成された。地球上では、火山から玄武岩が生まれ、プレートテクトニクスによって銅、鉛、亜鉛などの鉱石が作られた。「これらの鉱物は、星の爆発や惑星形成、プレートテクトニクスの引き金となったという、一種の壮大な物語の登場人物となるのです」と、彼は言う。「そして、生命が重要な役割を担っているのです。大気中に酸素を取り込むことによって、光合成は新しい種類の鉱物を可能にした。例えば、ターコイズ、アズライト、マラカイトなどである。コケや藻類が陸に上がり、岩石を砕いて粘土を作り、それが大きな植物を育て、より深い土壌を作り、……といった具合に。現在、約4,400種類の鉱物が知られているが、その3分の2以上は、生命が地球を変化させたことによって初めて誕生したものである。

Hazen は、どこを見ても同じように魅力的なプロセス、つまり複雑さが増していく様子を目の当たりにしています。「言語や物質文化、そして人生そのものにおいて、同じ現象が何度も何度も繰り返されています。物事はより複雑になっていくのです」。熱水噴出孔の環境は複雑で、湧き出る熱水が岩石の近くで冷たい水と混ざり合い、鉱床は新しく形成されたアミノ酸が集まる硬い表面を提供する。「有機化学者は長い間試験管を使ってきましたが、生命の起源には岩石、水、大気が使われています」と彼は言う。いったん生命が誕生すると、環境が変化しやすいことが進化の原動力となるのです」。

ヘレン・フィールズは、スミソニアン誌にスネークヘッドフィッシュと恐竜化石の中の軟組織の発見について書いています。アマンダ・ルシドンは、ワシントンD.C.を拠点に活動しています。