じじぃの「科学・地球_112_46億年の物語・生きている地球・生命の起源」

The Whole History of the Earth and Life 【Finished Edition】

動画 YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=NQ4CUw9RcuA

The origin of life

The origin of life: The conditions that sparked life on Earth

Research Outreach
Geologists have long been studying the few remnants of this time recorded in rock in the hope of finding clues about the conditions on Earth.
The only records from between 4.6 and 4 billion years ago that remain are found in a hardy crystalline mineral called zircon. However, it is vital that scientists learn as much as possible about this time, as it is in these inhospitable and hellish conditions that the origin of life occurred.
https://researchoutreach.org/articles/origin-life-conditions-sparked-life-earth/

地球進化 46億年の物語 ブルーバックス

著:ロバート・ヘイゼン 訳:円城寺守 渡会圭子

はじめに より

岩石に刻まれた記録を調べるほど、生物と無生物のどちらも含めた自然界が、何度も形を変えているのがわかる。
これまで語られなかった壮大で複雑に絡み合った生命と非生命の領域には驚きがあふれている。私たちはそれらを分かち合わなくてはならない。それは私たちが地球だからだ。地球上の物質すべて、私たちの肉体をつくる原子と分子も、地球から生まれ、地球に戻る。私たちの故郷を知ることは、私たちの一部を知ることなのだ。
第1章 誕生 地球の形成
第2章 大衝突 月の形成
第3章 黒い地球 最初の玄武岩の殻
第4章 青い地球 海洋の形成
第5章 灰色の地球 最初の花崗岩の殻
第6章 生きている地球 生命の起源
第7章 赤い地球 光合成と大酸化イベント
第8章 「退屈な」10億年 鉱物の大変化
第9章 白い地球 全球凍結と温暖化のサイクル
第10章 緑の地球 陸上生物圏の出現
第11章 未来 惑星変化のシナリオ

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『地球進化 46億年の物語』

ロバート・ヘイゼン/著、円城寺守、渡会圭子/訳 ブルーバックス 2014年発行

第6章 生きている地球 生命の起源 より

原材料

生命のない惑星だった地球で、代謝と遺伝という相互の絡み合った性質が、どのようにして生まれたのだろうか。生命の起源に関わる仕事をしている私たちのような研究者の大半は、最初の細胞の出現は、不可避的な地球化学的プロセスだったと考えている。地球には絶対必要な原材料がすべてあった。海、大気、岩石、鉱物には、必須元素が豊富に含まれていた。炭素、酸素、水素、窒素、硫黄、リン。またエネルギーも豊富にあった。最も安定していたのは太陽熱放射と地球の内部熱だったが、稲妻、放射能、隕石の衝突といったエネルギーも一助となったかもしれない(したがって生命の起源については、少なくとも元素とエネルギー源と同じ数の理論がある)。
万人の意見が一致しているのは、主役を演じたのが元素の中でもとくに万能だった炭素に違いないということだ。炭素ほどぜいたくにつくられ、多様な機能を持つ元素は他にない。炭素原子は他の炭素原子をはじめ、別の無数の原子(よく知られているのが水素、酸素、窒素、硫黄)と、一度に最高4つ結合するという、類まれな性質を持つ。炭素は長い原子の鎖をはじめ、想像できる限りの他の形もつくることができる。そのためたんぱく質や炭水化物、脂質、DNA、RNAの土台を形成する。炭素を基本とした万能分子だけが、複製する能力と進化する能力という、生命を定義する2つの条件を満たしているようだ。
私たちが食べるひと口の食べ物、私たちが摂取する薬、私たちの体のあらゆる組織、他のあらゆる生物の体、どれも炭素が詰まっている。炭素系の化学物質はどこにでもある。絵の具、接着剤、塗料、プラスチック。衣服の繊維、靴底、この本のページやインク、そして石炭や石油、天然ガス、ガソリンなどの燃料。さらに第11章でとりあげるが、炭素系燃料や他の化学物質への依存度の高まりは、地表近くの環境の厄介な変化に関わっている。現代ではそのような変化が、過去数百万年は見られなかぅたほどの速度で進んでいる。
しかし炭素だけでは、宇宙化学の領域から生物化学の領域へと、目覚ましい進歩を遂げることはなかっただろう。水、熱、稲妻、そして岩石の化学エネルギーなど、地球を変えられる力すべてが、生命発生のときに力を発揮したのだ。

ステップ1 レンガとモルタル(基礎材料)

近代の生命起源の研究は1953年に始まった。そのときの実験は、いまだ生命発生についての最も有名なものだ。シカゴ大学の教授でノーベル賞受賞者でもある化学者のハロルド・ユーリーは大学院生のスタンリー・ミラーとともに、シンプルでエレガントな卓上ガラス器具をつくり、初期の地球のシミュレーションを行った。冥王代の海を模してゆっくりと湯をわかし、原始地球の大気と同種の気体を混ぜ、稲妻の代わりに電気で火花を起こした。数日後、密閉されていた無色の水は、有機分子が複雑に混ざり合ってピンク色に、そして茶色に変った。透明だったガラスには、黒い有機物がべったりとついていた。
ミラーが通常の化学分析を行ったところ、そこにはアミノ酸をはじめとする生命の基礎となる物質が豊富に含まれていることがわかった。彼が1953年に『サイエンス』に発表したその結果は、世界中でセンセーショナルにとりあげられた。まもなく化学者たちは生命発生の研究に競って取り組みようになった。そしてミラー=ユーリーの実験で用いられた大気の成分の組み合わせが疑問視される一方で、このテーマに関わるさまざまな実験が何千と行われた結果、初期の地球には生命に不可欠な分子がたっぷりと存在していたことは間違いないと考えられるようになった。1953年の火花の実験とその結果がすばらしかったため、この分野の研究者の多くが、生命誕生の謎はほぼ解けたと考えていた。
最初の熱狂とその後の注目で、犠牲になったものもあるかもしれない。ミラーの優れた実験によって、生命発生の研究は有機化学者のものとなり、生命は原始スープ、おそらくは”温かい小さな池”で生じたというパラダイムが確立された(発表はされなかったが、チャールズ・ダーウィンがほぼ100年前に同じことを考えていた)。1950年代の実験主義者は、複雑すぎる自然の地球化学的環境について、ほとんど考慮しなかった。自然環境は毎日の昼と夜、暑さと寒さ、湿気と乾燥などのサイクルで変化している。また彼らは自然勾配の範囲も考慮していなかった。たとえば火山性マグマが冷たい海水と接触したときの温度や、炭水が塩分を含む海へ流れ込んだときの塩分濃度の変化だ。そしてミラーの実験は、何十という主要元素や微量元素を含む化学的に多様な岩石や鉱物、そしてエネルギーを持ち、反応しやすい結晶表面についても、考えに組み入れていなかった。彼らは日光を浴びる地表で、すべての活動が起こっていると思っていた。
ミラーの影響力は大きく、生命発生の分野は30年以上、彼の信奉者が中心となっていた。出版物があふれ、新しい論文が発表され、栄誉や賞が授与され、政府の助成金が”ミラー学派”へ流れ込んだ。ところが1980年後半になると、深海の”ブラックスモーカー生態系”が発見されて、”原始スープ”の代わりになりそうな理論が生まれた。日差しを浴びる水面からは遠く離れた暗い深海では、鉱物成分が豊富に含まれた液体が熱い火山性地殻ち接触して、海底に間欠泉のような排出口ができる。熱湯が冷たい海水と接触して、鉱物が常に沈殿するようになる。そこでは極小の粒子が黒い”煙(スモーク)”をつくるため、ブラックスモーカーと呼ばれるようになった。生命はそのような隠れた場所に多く存在し、地殻と海の化学エネルギーによってさらに生み出されている。
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前述したように、大昔、炭素を持つ分子とエネルギー源のある環境ならどこでも、ある程度のアミノ酸、糖類、脂質、他の生命の基礎となる分子が生産されていただろう。稲妻の電光や激しい放射線にさらされた大気も、生物発生理論の候補として残っている。ブラックスモーカーや、他の深くて熱い環境も同様だ。生体分子は小惑星衝突のとき、大気の高いところで日光を浴びた塵の粒子や、宇宙線にされされた深宇宙の分子雲などでも形成される。毎年、有機物を豊富に含む何トンもの塵が、45億年以上前と同じように宇宙から地表に降り注いでいる。いまでは生命の基礎材料が宇宙に散らばっていることがわかっているのだ。