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日本惑星科学会誌Vol. 32, No. 1, 2023

「フロンティアセミナー・テキスト」

宇宙での生命の起源，進化，伝播および探査
第1回 地球科学からわかる有機化合物の起源
山岸 明彦12022年12月19日受領，査読を経て2023年1月16日受理（要旨）地層には，地球の歴史が記録されている．46億年前に誕生した地球の，38億年前の地層には炭素同位体化石として生命の痕跡が残っている．35億年前の地層には最古の細胞微化石が残されている．この時期の海底熱水活動の証拠も残されている．海底熱水地帯では，海水が地下の高温の玄武岩と反応して還元型の成分を含む熱水となる．この熱水と低温海水との反応に依存した生態系が熱水地帯周辺に形成される．35～30億年前の微化石がどの様な生物かということが，当時の環境との関連で検討されている．地球生命を構成する元素は，宇宙に由来する．それらが，どの様な経路で生命に利用されるに至ったか，有機化合物の起源とともに解説する．有機化合物は宇宙空間で合成され，地球にやってきた可能性が高い．

1. はじめに本連載は，2019年2月18日-19日北海道大学で開催された惑星科学フロンティアセミナー2018「 生命の起源：
地球上の生き物はどこでどのように誕生したか」の聴講あったが，その記録も読者の理解を助ける可能性が高いと判断して残した．

2. 生命の進化：地層に隠された証拠

ノートを元に，その後の新しい知見も含めて加筆修正

46億年前に地球が誕生してから今日にいたるまで，した．聴講ノートを作成した，千葉紗登子氏，オン碧氏

様々な地学的証拠が残されている．地学的証拠が生命に感謝する．

の進化を考えるうえでの重要な基準年代を与える．ただ本稿は，三回に分けて連載される予定である．第一し，地球形成初期に関する地学的証拠はそれほど多く

回目は，地球に残されている生命の痕跡と，地球化学

ない．海の形成時期に関してはGenda [1]，生命初期のや宇宙科学から明らかになりつつある有機化合物の起炭素同位体化石に関しては掛川 [2]，初期の細胞化石源を解説する．第二回目では，生命科学からわかる生に関してはSugitani [3]が参考になる．

命の起源と進化について解説する．特にRNAワールド
や，遺伝子からわかる生命の進化，ダーウィン進化等に2.1

地殻形成の歴史：岩石の物質解析関して解説する．第三回目では，地球大気圏での微生

地球 上に残された最古の鉱物は，ジャックヒルズ

物採集，地球低軌道での微生物・有機化合物実験，火（オーストラリア）
で発見されたジルコンである．ジルコン

星での生命探査について解説する．

はジルコニウムのケイ酸塩で，１mmにも満た（ZrSiO 4）

本連載で解説する分野は極めて広いが，周辺分野

ない大きさのジルコン結晶が多数収集されている．それに関しては概略の記載で済まし，関連する総説を紹介

らの結晶の鉛同位体分析から，最古の年代を示したジ

するようにした．ただし，重要な文献に関しては書誌情

ルコンは今から45～44億年前に形成されたと推定され報を載せるようにしている．また，講演では質疑応答がている．ジルコンはマグマと水との相互作用で形成され

1.東京薬科大学，生命科学部
yamagish@toyaku.ac.jp

る．ジルコン中の酸素同位体比δ18Oから，45～44億年前に海と大陸地殻が存在していたのではないかと推定

宇宙での生命の起源，進化，伝播および探査 第1回 地球科学からわかる有機化合物の起源／山岸17

表1: 世界に知られる古い岩石（文献[5]より改変) ．

年代

産出地

岩石名

40 億年

カナダ・北西部

アカスタ片麻岩

38 億年

グリーンランド・イスア

イスア緑色岩イスア・ゴッドハブ

アミツォーク片麻岩

シベリア・アルダン盾状地

片麻岩

中国・河北省

グラニュライト

36 億年

カナダ・ラブラドアー

片麻岩

34 億年

オーストラリア・北西部

ピルバラ緑色岩

37億年

表2: 各地の太古岩石中の炭素 13C/12C比と産状[2]．

年代
億年前

地域名

δ13 C（‰） 炭素の産状

コメント

ジャックヒルズ（オーストラリア）

41

-24

アキリア島
（グリーンランド）38- 49 〜 -21

未確認

M ojz s i s，S . J. e t a l .
炭素の存在未確認状態で分析 (1996)

イスア
（１）
38〜37
（グリーンランド）- 35 〜 -12

未確認

M ojz s i s，S . J. e t a l .
炭素の存在未確認状態で分析 (1996)

イスア（2）（グリーンランド）-12 〜 - 8

地下温泉脈中（顕微鏡で確認）37億年前の
非生物炭素

イスア
（3）
38〜37
（グリーンランド）-20 〜 -14

38〜37億年前の堆積 38〜37億年前の岩中（顕微鏡で確認） 炭素

Rosing, M. T. (1999)

イスア
（4）
38〜37
（グリーンランド）-24 〜 -12

38〜37億年前の堆積 38〜37億年前の岩中（顕微鏡で確認） 炭素

Ohtomo，Y. et al. (2014)37

ジルコン結晶中炭素の混入時期（電子顕微鏡で確認） が不明

Bell，E. A. et al. (2015)

Van Zuilen, M. A. et
al. (2002)

機化合物の13C/ 12Cは環境中の二酸化炭素に比べて低されている[4]．
岩塊としての岩石が残っているのは40億年以降に限13
C/ 12Cは基準試料との差δ13Cとして測定されくなる．

定される(表1)．大陸地殻の形成は45〜44億年前と推る．δ13Cの基準としてアメリカ・サウスカロライナ州の定されているので[4]，40億年前以前の岩石は浸食され

Pee Dee 層から産出するベレムナイト（PDB: Pee Dee

たか，後期重爆撃で失われたか，理由は不明であるが，Belemnite）
が用いられる．

現時点では大きな岩塊としては残っていない．

植物によって炭酸固定に用いられる酵素が光合成の38億年前の岩石の中には枕状溶岩および，堆積岩が種類C3植物，C4植物，CAM植物によって異なる．そある．これらの岩石は38億年前に海があった証拠となの結果，植物の光合成形式によってδ13Cの値が多少異

る[1]．

（図1）．
なるが，δ13Cは-10‰(パーミル)から-35‰となる

2. 2

最古の生命の証拠
1312

化学合成細菌でも植物と同じRubiscoを用いるタイプ
はC3植物に似たδ13Cの値になる．数値はPDBに対す炭素には Cと Cの安定同位体が存在し，炭素同位る数値であるが，同じ時代の炭酸塩と比較することに体比分析を行うことで，炭素の起源をある程度明らか

より，測定された炭素が光合成等の二酸化炭素固定反にすることができる[6]．光合成あるは化学合成によっ応であるかどうかの判断材料とすることができる[2]．

13
Cにて，二酸化炭素が同化される際の酵素反応では，12比べて Cを効率良く取り込むため，炭酸固定された有表2はこれまでに報告された，37億年前までの地層中の炭素同位体分析結果である[2]．ジャックヒルズの18

日本惑星科学会誌Vol. 32, No. 1, 2023

図1：様々な起源の炭素の13C/12C同位体比．Naraoka [6]．

表3: ガラパゴス海嶺周辺のATP，AT，GTP : ATP [9]．

SampleATP (ng/liter)

Surface sea water a (50m)bGarden of Eden vent (2500m)
Note:

a

GTP: ATP340 ± 112

32

1.7±

0.3

Deep seawater a (2400 m)
Garden of Eden vent a (2500m)

AT (ng/liter)

130 ±

3.4±

0.16 ± 0. 08

0.3 0. 075

491 ± 151

1495 ± 553

0. 86 ± 0.17

1943 ±1143

4248 ±2031

0. 89 ± 0. 35b

ろ液． 沈殿粒子．

41億年前のジルコン結晶中炭素の同位体比が報告されているが，炭素の混入年代が不明である[2]．Mojzsis

2.3

最古の細胞化石ら [7] によって，アキリア島，イスアの岩石中炭素の同最古の細胞微化石はオーストラリア，ピルバラ地方の位体分析が行われ，生命の痕跡を示すデータが得られ35億年前の岩石中に発見された[8]．微化石は細長いていたがその産状は不明であった．その後，イスア堆

数珠状でその幅は5µm程度であった．通常，微生物細積岩中炭素の同位体分析が行われ，その同位体比は生胞の直径は1µm以下の大きさなので，細胞の直径が一命の痕跡である可能性を示した(表１．イスア(3, 4))．炭般の微生物としては大きい．この微化石付近には，スト素の構造を顕微鏡で観察した結果，構造が不規則であロマトライトが発見されて，この微化石はシアノバクテ

ることも炭素の起源が生命である可能性を支持していリアではないかと推測された．ストロマトライトとはドーる．すなわち，炭素同位体組成，炭素が堆積岩中にあム状の縞状模様がある岩石で，シアノバクテリアの関与

ること，さらに炭素の構造が不規則であることから，こでできるものが知られている．水中でシアノバクテリアのイスア堆積岩中炭素は生命の痕跡である可能性がと他の微生物の共生体が粘液を出し，周りの砂を固め

高い．つまり今から38〜37億年前には生命が誕生してることでドーム状となる．夏に成長して冬に成長が停滞いた可能性が高い [2]．

するため，縞模様ができる．またシアノバクテリアは光宇宙での生命の起源，進化，伝播および探査 第1回 地球科学からわかる有機化合物の起源／山岸19

図2：海底熱水噴出孔付近において推定されている化学反応モデル．Jannasch [11]より改変．

に向かって成長するため，ドーム状の形状となる．シア

いことがわかっており，GTP : ATPは微生物の増殖をノバクテリアが最古の細胞化石生物なのだろうか．この反映している．

最古の化石はシアノバクテリアでは無い可能性が高い．

2.4

深海熱水噴出孔付近の生物群集

表3はガラパゴス海嶺周辺のATP，AT，GTP : ATPを測定した結果である[9]．深海200m以下は光が届かず生物がほとんどいない．表層海水と比べて，2400 m

最古の細胞化石がどのような生物なのか，初期生命の深海水はATPおよびAT が顕著に少ない．つまり深に関して解説する前に，深海熱水噴出孔付近の生態系

海には生物体がほとんど存在しない．Garden of Edenと化学合成細菌に関して解説する．

とよばれる熱水地帯では，周辺部の深海水と比べて水深200m以下の深海にはほとんど生物は存在せず，

ATPおよびAtが顕著に増加していた．これは，この地

砂漠同様のバイオマスである．動物，植物，微生物を含点に熱水等のエネルギー源があり，微生物やその残骸

む全ての生物は，ATP（ アデノシン三リン酸）をエネルがあることを示している．なお，GTPは増殖中の微生ギー利用に用いている．生物は有機化合物から取り出

物細胞内に多いことがわかっており，この数値が高い

したエネルギーをATPに変換し，ATPの脱リン酸化でことから，熱水地帯で微生物が増殖していることもわ得られるエネルギーを生命活動に利用している．したかる．

がってATPは，生きている生物量を反映する．またAT

深海底でも熱 水地帯では，熱帯雨林に匹敵するは，ATP, ADP（アデノシン二リン酸）
とAMP
（アデノシ

20kg /m 2 のバイオマスがあることが報告された[10]．

ン一リン酸）の合計で，生育が盛んな生物と盛んでない

熱水地帯には，化学合成細菌による生態系があり，生物，あるいは死んでからまもない状態の生物量の合チューブワーム，シンカイヒバリガイ，甲殻類，ゴカイな計を反映している．GTPは増殖中の微生物細胞内に多どが生息している．この発見により，光合成生産がなく

20

日本惑星科学会誌Vol. 32, No. 1, 2023

図3：様々な代謝系の酸化還元反応とATP，NAD(P)H生産．発酵では有機化合物を，より低分子量の有機化合物（アルコールや乳酸など）や二酸化炭素に分解する時のエネルギーでATPとNADHを得る．呼吸では，有機化合物と酸素の反応によってATPとNADHを得る．化学合成では，電子供与体と電子受容体の酸化還元反応でATPとNADPHを得る．化学反応の種類に応じて，水や硫酸，硫化水素や窒素などの反応生成物を生じる．光合成では，光エネルギーを用いて，ATPを合成すると共に，電子供与体から電子と水素を取り出してNADPHを得る．酸素発生型光合成では水を，非酸素発生型光合成では硫化水素，水素あるいは低分子量の有機化合物を電子供与体として用いる．その結果，電子供与体から酸素や硫酸等が生成する．光合成や化学合成ではATPとNADPHを用いて二酸化炭素を還元して糖を合成する．

ても，熱水地帯で化学合成細菌による生態系が成立しいる．海底面下深部まで浸透した海水は高温の玄武岩得ることが明らかとなった[10]．これらの環境に生息しと反応する．玄武岩との反応で，硫酸イオンは硫化物イている大型生物は，化学合成細菌と何らかの関係（共オンに，マグネシウムイオンは，マンガン，カルシウム，

生，捕食等）を持って生育している．

鉄，銅，等の金属イオンや水素イオンと交換する．炭酸2.5

海底熱水地帯地下および海水中での化学反応

水素イオンは二酸化炭素やメタンに変換される．こうして，海水とは組成の変わった高温熱水が海底面に向かって上昇する．熱水が上昇する過程で温度が下がる

図2は海底熱水地帯地下でおきている反応を図示しと，FeS，FeS 2，CuFeS 2 等の沈殿を形成する．また，熱たものである[11]．海水中にはナトリウムイオンや塩素水が海底面下あるいはチムニー中で低温海水と混合す

イオンの他，硫酸イオン，マグネシウムイオンが含まれてる過程でCaSO 4やFeSの沈殿を形成する．熱水が海水

宇宙での生命の起源，進化，伝播および探査 第1回 地球科学からわかる有機化合物の起源／山岸

21

中に噴出して海水と混合すると，FeO(OH)やMnO2 がに還元力を使う場合にはNADPHを，呼吸などの異形成されて沈殿する．熱水が海底面下や海水中で混合化反応に還元力を使う場合にはNADHが使われる．

する過程で希釈による温度の低下と沈殿形成が起きる

NADPHとNADHは合成反応と異化反応で使い分けが，それに加えて酸化還元反応が進行する．この酸化られている．

還元反応は化学的反応として進行するが，その一部は微生物の生育に利用される．

2.6

植物は，光エネルギーを用いてATPを合成すると共に，電子供与体である水から電子を引き抜くことで分解（図3）．同時に水から引き抜いた電
してO2を発生する

化学合成細菌子と水素をNADPHとして受け取り還元力を得る．植物
は，ATPとNADPHを用いて二酸化炭素を還元して糖(1) 生物の代謝反応
海底熱水地帯の化学的非平衡状態から，微生物はを合成する．これは，酸素発生型の光合成と呼ばれる．

どのようにエネルギーを取り出すのか．化学合成による

もう一つ別の光合成系として非酸素発生型の光合エネルギー獲得を，動物の呼吸や植物の光合成と比

成がある
（図3）．
（ 光合成の詳細は第２回参照）．非酸

較しておく．なお，生化学反応での本質は反応前後で素発生型光合成では，光エネルギーを用いてATPとのギブス（自由）エネルギー差であるが，以下ではギブ

NADPHを得るが，その時に電子供与体として水ではスエネルギー差を単にエネルギーと記述する．反応前

なく，硫化水素，水素あるいは低分子量の有機化合物

後のギブスエネルギー差は，一般にエネルギーと言わを用いる．その結果，電子供与体は対応する酸化型のれる時の意味とほぼ同義である．必要があればエネル

分子，硫酸や水等になる．非酸素発生型の光合成で，ギーをギブスエネルギー差に読み替えて欲しい．

電子供与反応の結果できた化合物は化学合成の場合ヒトを含む動物（従属栄養生物）は，有機化合物かに似ているが，反応全体を見たときにエネルギーは低下

らエネルギー（ATP）を取り出して，体の構成成分（有

せず，光エネルギーによって増加する．ATPとNADPH

機化合物）を作り出している（図3）．酸素がある場合にを用いて二酸化炭素を還元して糖を合成する点は，酸は従属栄養好気性生物は有機化合物と酸素の反応に素発生型光合成や化学合成と同じである．

よってエネルギーを得る．まず，有機化合物から還元力
として水素と電子をNADHに取り込む．NADHから電(2) 化学合成反応

子伝達反応を介して酸素に電子を受け渡す反応過程

化学合成反応でエネルギーを獲得する際には，電子でATPが合成される．NADHの水素は還元力が必要

供与体と電子受容体との間で進行する酸化還元反応

な生化学合成にも利用される．有機化合物と酸素とのを利用する．厳密には，電子供与体と電子受容体の反反応では，反応生成物として水と二酸化炭素が生成す

応後と，反応前のギブスエネルギーの差を利用する．

る．これは，呼吸と呼ばれる代謝過程である．

様々な電子供与体と電子受容体の組み合せを利用する

酸素が無い環境では，有機化合物を低分子量の有様々な化学合成細菌および化学合成古細菌が知られ機化合物（アルコールや乳酸など）
や二酸化炭素に分解ている．個々の菌は細菌であったり古細菌であったりすすることでATPとNADHを得る．この過程は発酵（あるが，化学合成細菌と化学合成古細菌の両方とも化学

るいは解糖）と呼ばれる．

合成という観点では同じなので，区別をつけない場合

化学合成では，それぞれの生物種ごとに特定の化には単に“菌”と記載しておく．その化学合成菌に利用

学物質の組み合わせからATPとNADPHを得る(図される酸化還元反応の例は表4に，それらの反応を利

2＋3)．化学合成では還元型物質（H 2，H 2 S．Fe 等：電子用する化学合成菌が熱水地帯で見つかっているかどう

2-供与体）と酸化型物質（O2，SO 4 等：電子受容体）のかが表5にまとめられている．主に電子受容体によって組み合わせが反応に使われる．この酸化還元反応の決まる反応の種類と電子供与体名で化学合成菌を名

種類に応じて，水や硫酸，硫化水素や窒素などの反応付けるが，メタンを生成する菌をメタン菌，酢酸を生成

生成物を生じる．化学合成ではそれらの酸化還元反応する菌を酢酸菌，窒素を生成する菌を脱窒菌とよぶ．

を行うことからATPとNADPHを得る．得られたATP

これらの細菌および古細菌は，電子伝達反応によっとNADPHを用いて糖が合成される．なお，合成反応てエネルギーを得ている．従属栄養微生物の酸素呼吸22

日本惑星科学会誌Vol. 32, No. 1, 2023
表4: 化学合成菌が利用可能な反応の種類とその反応[11]．

反応の種類

化学反応式

メタン生成

4H 2 ＋C O 2 ＝CH 4+2H 2 O

硫酸還元

4H 2 ＋H 2 S O 4 ＝H 2 S+4H 2 O

メタン酸化鉄還元

CH 4 ＋4FeO 3 ＝C O 2+2H 2 O +4FeO 2

メタン酸化

CH 4 ＋2O 2 ＝C O 2+2H 2 O

硫黄酸化

H 2 S＋2O 2 ＝H 2 S O 4

水素酸化

2H 2 ＋O 2 =2H 2 O

表5: 熱水噴出孔付近で発見された化学合成菌[11]．

＋：存在が確認されている＋＋：単離されている

電子供与体

電子受容体

化学合成菌

存在

S 2- , S o , S 2 O 3 2-O2

イオウ酸化菌＋＋

脱窒硫黄酸化菌

＋

水素酸化菌

＋＋

脱窒水素酸化菌-

2-o

S , S , S 2O 3

2-

NO 3

-

O2

H2

-

H2

NO 3

H2

o

S , SO4

イオウ硫酸還元菌

＋＋

H2

C O2

メタン菌，酢酸菌

＋＋

-

O2

硝化菌

＋

Fe 2+ , M n 2+O2鉄酸化菌，マンガン酸化菌

＋＋

CH 4

O2

メタン酸化菌，

＋＋

CO

O2

一酸化炭素酸化菌＋＋+

N H 4 , NO 3

2-では，有機化合物から得られた還元力NADHを用い

ブスエネルギーの計算結果が表6にまとめられている．

てATP合成を行う．NADHを電子供与体として，細胞350℃の熱水は海底面下で上昇する過程で，地下に膜上の電子伝達系を通して電子を酸素に受け渡す．電浸透した低温海水と混合して徐々に温度を下げる．温子伝達過程で水素イオン濃度勾配を細胞膜内外に形度がまだ下がりきらない高温の段階で，二酸化炭素と成する．細胞膜内外の水素イオン濃度勾配を利用して，水素からメタンを生成する反応と，硫酸イオンを水素でATP合成酵素（プロトンATPアーゼ）がADPとリン酸

還元する硫酸還元反応が進行する．熱水が低温海水からATPを合成する．多くの化学合成細菌や化学合中に噴出されると，低温海水との混合過程で急速に温成古細菌も，電子伝達反応でできる水素イオン濃度勾度が下がる．低温海水との混合過程で様々な電子供与

配を利用して，ADPとリン酸からATPを合成している．

体の酸化反応が進行する．様々な反応の中で硫化水素得られたATPとNADPHによって必要な有機化合物

を電子供与体としたギブスエネルギーが，獲得可能なを合成している．

ギブスエネルギーの大部分を占めている．
ただし，反応で得られるギブスエネルギーは熱水中(3) 化学反応理論計算との比較の電子供与体濃度に依存している．通常の海底地殻を

酸化還元反応のギブスエネルギー差は，標準ギブス構成する玄武岩との熱水反応でできた熱水は，硫化水

エネルギー差と酸化還元に関わる基質の濃度によって素を主成分として含んでいる．したがって反応で得られ決まる．熱水中の電子供与体濃度と周辺海水中の電子

るギブスエネルギーの中で，硫化水素を電子供与体と受容体濃度を考慮して，酸化還元反応から得られるギ

したギブスエネルギーが大部分となる．一方，特殊な環

宇宙での生命の起源，進化，伝播および探査 第1回 地球科学からわかる有機化合物の起源／山岸23

表6: 熱水地帯における反応から得られるギブスエネルギー(McCollom and Shock [12]より導出)．

Electron donnerConc. (mM)

SO4ReactionT (℃)

cal /kg vent ﬂuid

methanogenesis

>40

<10

28

sulfate reduction

>40

<10

subsurface mixing zone

7. 3

oxidation

<40

760

plumes or diffuse mixing

1.7

H2
2-

H 2S

Locationsubsurface mixing zone

Fe

1.7

oxidation

<40

<10

plumes or diffuse mixing

CH 4

0. 07

oxidation

<40

<10

plumes or diffuse mixing

M n 2+

0. 96

oxidation

<40

<10

plumes or diffuse mixing

図4：熱水系地下での電子受容体および電子供与体の流れと微生物群集．Kato ら [13]より作製．

境ではマントル構成成分であるかんらん岩が海底面近れた．試料はチムニーや，チムニーから噴出した熱水，

くに露出している．その環境では水素やメタン濃度の周辺海水，および海底掘削を行った掘削孔からの流出

高い熱水となり，水素やメタンに依存した反応から得ら水で，それらの分析から以下の様な微生物種が確認されるギブスエネルギーが大きくなる．

れた（図4）[13]．海底面下から上昇する高温熱水中には超好熱性や好熱性の硫酸還元菌，水素酸化菌やメ(4) 熱水系の微生物群集

タン菌が，海底面下で低温海水と混合した低温熱水中

それでは，海底熱水地帯にはどのような微生物がどでは生育温度が低いメタン酸化菌やアンモニア酸化菌

こにいるのか．海底熱水地帯から様々な試料が採集さが，熱水噴出孔周辺の海水では硫黄酸化菌が卓越して

24

日本惑星科学会誌Vol. 32, No. 1, 2023

いた．さらに熱水噴出孔周辺の鉄を含む沈殿物中には年前の酸素濃度は極めて低いので，硫黄酸化細菌が生

鉄酸化菌が見られた[13]．すなわち表6から推定され育できるとは考えにくい．

る，酸化還元反応から想定される菌が温度に依存して実際に確認された．

2.7

35億年前の生物（最古の化石）は一体何なのか．

一方，細胞の幅が5µmの数珠状細胞をもつ硫酸還元菌が熱水噴出地帯で活動を停止したチムニー表面で見いだされた[17]．硫酸還元菌は電子受容体として硫酸を用いるので酸素は不要である．硫酸還元菌が35〜30億年前の微化石の候補となる．

35〜30億年前には多くの微化石が報告されている[8,また，非酸素発生型光合成細菌と推定される34億

14, 15]．多くの現存原核生物細胞は直径1μm以下であ年前の微化石も報告された[15]．炭素同位体比は-35

るが，報告された微化石は数μmを越える幅の細長い〜 -20‰で生物由来の炭素と推定された．この微化石

形状あるいは数珠状のものが多い．10μmを越える大は幅が1～1.5µm程度の細長い形状で，同じ場所でバ型の細胞をもつ真核生物が出現するのは，分子系統樹

イオマット（微生物が密集した微生物の固まり）が波にからは20億年前以降と推定されているので（第2回参よって変形したと推定される形状の化石も見つかった．

照），35〜30億年前の大型細胞の微化石が真核生物とつまり生育場所は比較的浅い波打ち際で，太陽光があは考えにくい．

たる場所であろうと推定された．したがって，この化石

原核生物の中では，シアノバクテリア，非酸素発生型

は光合成生物の可能性がある．当時まだ地球に酸素は光合成細菌，化学合成細菌には直径数μmを越える細なかったことと，付近に菱鉄鉱（siderite： FeCO（炭3長い細胞形状のものがある．化学合成細菌やシアノバ酸鉄(II)）の沈殿があったことを考慮して，この化石はクテリア，光合成細菌は電子伝達反応をおこなう複雑

非酸素発生型光合成細菌であろうと推定された[15]．

な膜系を細胞内に持っており，細胞が大きい．一方で，非酸素発生型光合成細菌は，前述の様に水の代わりにこうした独立栄養原核生物以外の原核生物，従属栄養

硫化水素や水素，有機化合物を電子供与体とする光合

原核生物は細胞内の複雑な膜系を持たず，細胞直径は成細菌である．

小さい．細胞が大きい独立栄養原核生物が35〜30億年前の微化石の候補となっている．

さらに，当時メタン菌がいた可能性も報告されている．熱水沈殿物中の液体包有物内にメタンが微量に含

また，その微化石の産状から当時の環境を推定して，まれていることが発見された．同位体分析により，メタ

微化石がどのような生物であるかの推定が行われていンが生物由来であることが確認でき，35億年前にメタる．例えば，オーストラリア北西部ノースポールの地層ン菌が存在していたことが推定された[18]．

の解析が行なわれた．ノースポールの地層は，熱水地帯に特有の地層であることがわかった．そこには地層

2.8

第2節のまとめを貫くシリカ岩脈が観察された．この地層は当時の深い地球が46億年前に誕生してから45～38億年前に海海であった可能性が考えられる．するとそこは光が届かができていた可能性がある．38億年前には炭素同位体ない環境なので，シアノバクテリアが生息するには不適から炭酸固定を行う生物が誕生した可能性が高い．35

であり，そこで発見された微化石は海底熱水付近の生～30億年前の地球には熱水活動があった．35～30億物ではないかと推測された[16]．西オーストラリア北部，

年前の生物細胞の微化石も見つかっている．ただし，微ピルバラ緑色岩体のシリカ岩脈内に微化石が発見され化石がどの様な生物かという複数の可能性が提案された．これは地層の特徴を考慮してシアノバクテリアではている．おそらく35～30億年前には化学合成細菌が存なく，化学合成細菌であろうと推定された[14]．

在していたと思われる．その種類として硫黄酸化菌や現 存 の 大 型 細 胞 を 持 つ 化 学 合 成 細 菌としてBeggiatoa と い う 硫 黄 酸 化 細 菌 が 発 見 さ れ，

硫酸還元菌が提案されている．メタン菌や非酸素発生型光合成細菌もいた可能性が高い．

Beggiatoaが太古代の微化石の候補と提案された．し生物がエネルギーを得る手段として，発酵（解糖），呼かし，Beggiatoaは硫黄酸化細菌であるが，硫黄酸化吸，化学合成，非酸素発生型光合成，酸素発生型光合細菌は酸素を電子受容体として必要とする．35〜30億成がある．光合成生物として，水素源および電子源とし

宇宙での生命の起源，進化，伝播および探査 第1回 地球科学からわかる有機化合物の起源／山岸

25て水を使う酸素発生型光合成生物（植物とシアノバクテ

非生物的なものから合成された有機化合物は？

リア）
と水以外
（硫化水素，水素，簡単な有機化合物）

答え：考慮していない．地球形成時に集積した有機化を用いる非酸素発生型光合成細菌がいる．化学合成で合物は，マグマオーシャンで分解されたはずであは電子供与体と電子受容体の組み合わせで炭酸固定

る．その後，飛来した有機化合物の寄与はあるを行う様々な化学合成細菌および化学合成古細菌がはずだが，これまでの検討では考慮されていな

いる．

い．ただし，Naraoka ら [20]は南極裸氷上で採2.9集された炭素質隕石30数試料について，炭素量第2節への質疑応答とその同位体比を測定し，約1.3 wt%と加重平均

質問：初期の海水量はどのくらいだっただろうか．

で–5.8‰（vs. PDB）を得ている．そういう意味で

答え：35億年前は現在と変わらないかあるいは2~3倍は飛来した有機化合物は炭素同位体比にはあまの量から減少している可能性があるが，まだ研究進行中であるとおもう．

り影響がないということかもしれない．
質問：火星の土壌中に有機化合物が見つかった．

質問：-25‰は，光合成で作られる値であるが，化学エネルギーを食べる生物も同様なのか．

答え：火星でCuriosityが発見した有機化合物は，宇宙からきたものか，過去の火星生命由来の両方

答え：化 学 エネルギ ーを 使う生 物 は， 炭 素 の 固 定の可能性がある（第3回参照）．

法が 様々である．光 合 成と同じ 酵 素ルビスコ

質問：微化石の顕微鏡写真の黒い影は膜か？

(Rubisco)を使う生物もいて，その場合には同様

答え：炭素の痕跡である，おそらくグラファイトかケロの値を示す（図1）．異なった代謝系をもつ細菌や古細菌は異なった値を持ち得る（参考：金子と奈
良岡 [19]）.

ジェンで膜構造は残っていない．
質問：カニとエビは何を食べているのか，チューブワー
ムを食べているのか？

質問：酸素発生型光合成が始まったのはいつ頃か．
（次回参
答え：まだ定まっていない．分子系統樹解析
照）
から30億年前くらいと推定されており，40億〜30億年前頃は，まだ酸素発生型光合成生物は誕

答え：化学合成細菌もしくは，化学合成細菌を食べている何かを食べていると思われる．
質問：深海熱水付近の化学合成細菌は，実験室に持ち帰り，培養可能か？

生していない．しかし，化学合成による炭酸固定

答え：化学合成細菌で培養されているものは表5に示しは行われている可能性がある．その際，光合成とた．ただし，特定の種を培養しようというのは極同様にルビスコ(Rubisco)用いた炭酸固定をしてめて困難で成功率は1%以下である．ただし，現いる化学合成菌もいる（図1）．

在はゲノム解析でどの様な代謝を行っているか推

質問：いつ頃の無機炭素を指標にしているのか？当時定することは可能．また，近縁種が培養されていか現在か？

ることも多い．小さいチューブワームは浅い場所

13（PDB）を用
答え： C/ C比測定の基準には標準化石にも生息しており，短期間培養可能．ただし，代いるが，当時（40〜35億年前）
の無機炭素
（炭酸カ

謝反応等を調べる時には，間接的に調査してい

12

13

12

ルシウム）
を指標にして炭素微粒子中の C/ Cをる場合が多い．例えば，サンプルをすり潰して遺判定している(Mojzsis ら [7])．

伝子を調べる．化学合成細菌と近縁かどうかを質問：地球の磁場の形成期とそれ以前の紫外線による影響は？

みる．その遺伝子がどの細胞の遺伝子かを特定するためには，細胞を蛍光染色して特定の遺伝

答え：磁場が無い事による放射線や，紫外線は水素同子配列をもっているかどうかを調べる等を行う．

位体比に影響を与えた可能性はあるとおもうが，現地で同位体標識した炭酸を使って生体内への炭素の同位体比率が変わる可能性は少ないと思取り込みを測定する場合もある．

う．何れにせよ当時の無機炭素を指標にしている

質問：海面よりもエネルギー量が大きいか？

ので問題無いと思う．

答え：熱水噴出孔近傍での海水中では，熱水から離

質問：もともとのソースはCO2という前提になっているが，れた海底面直上あるいは海表面よりもはるかに26

日本惑星科学会誌Vol. 32, No. 1, 2023

ATP量やAT 量が大きい（表3）．

答え：水素濃度勾配形成とそれを利用したATP合成

質問：熱帯雨林でも同様のデータはでるのか？

では，きちんとした化学反応量論は成立していな

答え：熱帯雨林と深海とは調査方法が異なる．深海にい．水素イオン濃度勾配を細胞膜内外で形成しは微生物しかいないため，化学的方法となる．熱て，H+ -ATPアーゼでATPを生成する．これらの帯雨林では生体重量をはかる．海底熱水噴出孔

機構は，全生物ほぼ共通である．ATPもNADH

周辺の化学合成細菌に依存した大型生物に関しも様々な代謝反応，呼吸，様々な生合成反応で共2ては重量ではかられて，20kg /m という熱帯雨林なみの数値が得られている[10]．
質問：全ての生き物はATPを使うのか？

通なので，それらを融通する．
質問：これらの化学反応は複雑系であり，生物が進化した結果，可能になった？

答え：全ての生物がATPを使う．リン酸結合は強すぎず

答え：そうである．化学合成菌の機能を発揮するために

弱すぎずちょうどよい結合の強さであるためと思は複雑な電子伝達系，酵素系が必要で，さらにわれる．ATPはRNAの単量体なので，必ず細胞それを維持する遺伝の仕組みが必要である．生内にある．

命の起源で最初に誕生した生き物とは全く別の

質問：リンは比較的早い時期に作られるのか？
答え：恒星の核融合反応では比較的最後にできた．リ

進化した生物と考えた方がよい(第2回参照)．
質問：電子伝達の最初の反応は膜の上で行われる？

ンは他の元素に比べて，宇宙での構成比率と比

答え：電子伝達反応は膜に存在するチトクロームとよべて生体内での濃縮度が高い．リン酸を様々なばれる電子伝達タンパク質を介して行われる．熱反応や核酸で使っているためだが、その理由はエネルギーは生物のエネルギーとしては利用でき

現在不明である．

ない．そのため，化学エネルギーである必要があ

質問：紅色細菌は化学合成細菌か？

る．電子伝達反応では，細胞膜上の電子伝達反

答え：紅色細菌といった場合には従属栄養細菌を主に応によって細胞膜内外の水素イオン濃度勾配の含むプロテオバクテリアのグループのことを指す場合もある．今はあまり使われないが，かつて
Woeseが命名した．プロテオバクテリアには従属形成を介してATPが合成される．
質問：地点によって，ガスの組成に微生物種は対応している？

栄養細菌のほか，非酸素発生型光合成細菌や化

答え：対応している．ガスの組成は地下で海水と反応す

学合成細菌も含まれる．紅色光合成細菌は，非る岩質に対応しているので，熱水の組成は地下の酸素発生型の光合成細菌である．

岩質に対応している．微生物種はガス成分の組

質問：各化学反応において得られたエネルギーをATPにどのように換算するのか？
答え：例えば，グルコース1分子あたり，32分子のATP成に対応している。
質問：微生物はチムニーにしがみついている，プルームの中にいる微生物は流されて行かないのか？

が 生 成され る．1分 子 のATPは 約30kJ/molな

答え：プルームに流出した微生物は死んでしまうが，チので，グルコース１分子あたり合計約960kJ/mol

ムニーに残った部分が増殖を続けている．

のATPができることになる．一方，グルコースの質問：進化の速度は？

燃焼熱は2800 kJ/molなので，グルコースのもつ

答え：様々な遺伝子の解析を行うと原核生物の進化速エネルギーの大部分は熱エネルギーとなる．グ

度は一般に真核生物よりも遅い．原核生物細胞

ルコースを基質とした呼吸では電子伝達反応がの分裂速度が速い(速い場合には20分に１回分行われ，電子伝達反応によって細胞膜内外で水裂する)ので，遺伝子がランダムに起こす変異速度

素イオンの濃度勾配が形成される．水素イオンのは速いのだが，原核生物の系統樹上の遺伝子変+濃度勾配にしたがって，H -ATPアーゼによって化速度は真核生物より遅い．遺伝子の変異が起

ATPが合成される．これらの反応経路でできる

きても，大部分の変異はむしろ適応度を下げるた

ATPの数を足し合わせる．

めと思われる．つまり，進化速度の決定要因は，（中途半端な）
場合はどうなるか？
質問：ATPが1つ足りない

変異が起きる速度では無く，適応変異が起きる

宇宙での生命の起源，進化，伝播および探査 第1回 地球科学からわかる有機化合物の起源／山岸

速度によっている．
質問：チムニー間を移動している証拠はあるのか？
答え：様々な場所の熱水地域で見つかる同種の原核生27構成するタンパク質（チトクローム）の種類や反応が調べられた．多数の実験によって反応系が明らかにされた．

物の間に大きな違いはみられない．原核生物の質問：水素に着目している理由？

場合，進化を決めているのは場所ではない．とい答え：化学合成と光合成いずれの場合でも有機化合

うことは系統樹的な時間スケールでは同種で，同物を合成するためにはCO2 を還元する必要があ

じ種が移動したと考えられる．

る．そのためには，電子だけでなく水素が必要．

質問：積極的な移動は確認できないが，移動している可能性はある？

NADPHを介して水素 が CO2 還 元のために利用される．呼吸から得られたATPのエネルギー

答え：ある．原核生物は増殖できない環境では仮死状

で有機化合物合成を行うこともあるが，その際態で生きていられるので，その状態である確率に還元反応が行われるためには水素が必要でで移動していると思われる．

NADPHを介して他の有機化合物から得た水素

質問：化学合成細菌の食性は？
答え：さまざまである．酸化還元反応を行いうる電子供与体と電子受容体の組み合わせが環境にあればそれを利用する（表5）．

が利用される．
質問：どうして細胞は数珠状なのか？
答え：細胞分裂後の方向によるため．細胞を特定の環境におくと，分裂後の細胞が分離しないで数珠

質問：すりつぶしてしまうとわからなくなる？

状になる微生物は多くいる．数珠状の細胞を形

答え：酵素の種類を調べれば反応基質がわかるが，遺成することは困難ではない．進化的なメリットとし伝子を調べる方が早い．遺伝子を調べることで，ては，絡み合ってまとまるため，固着しやすく，流どの様な化学合成菌かは概ねわかる．
質問：バイオマットの化石が非酸素発生型光合成細菌であると推定した件について，当時酸素分圧が低かった以外の証拠はあるのか？

れのある環境で流されにくくなるかもしれない．
質問：どうして分裂する際に面的にひろがらないのか，
線なのか？
答え：面的に細胞を形成するのは難しい．微生物細胞

答え：23億年以前のイオウ同位体比にバラツキが見らの有る一つの軸の中央では分裂できるが，それとれることから，当時は酸素が現在の10万分の一

直交する軸では分裂装置を持たない．したがっ以下であった．付近に菱鉄鉱（siderite：FeCO 3て，分裂を複数回行った場合に長い線状にはな（炭酸鉄(II)）の沈殿があり酸素濃度はこの環境

るが，面にはならない．面状の分裂を行う様になでも低かった．化学合成細菌の内，鉄酸化菌，水るのは，真核生物の藻類以降である．

素酸化菌は酸素が必要なのでこの環境では生育

質問：膜表面での反応系が重要であるのに，数珠状にできない．バイオマット化石は，当時の深度200m

結合することで，表面積は減少しないのか？なぜ

より浅いところだけで確認された．これは，光合

表面積を増加させるよりも，結合するのか？

成生物であることとつじつまがあう．非酸素発

答え：微生物細胞はサイズが1µm程度なので，光を透生型光合成細菌と調和的である(Tice & Lowe

過する．そのため，細胞の裏が影にならないため，[15])．シアノバクテリアの誕 生が 系 統 樹 からは細胞が束にもなってもあまり支障がない．光合成

30億年前なのでシアノバクテリアでは無いと思う

細菌や化学合成細菌は細胞内に非常に複雑に折が，論文では検討していない．

りたたまれた内膜構造を持って膜面積を増やし

質問：非酸素発生型光合成細菌の反応系はどのようにして解明されたか？
答え：植物生理学，遺伝学，生化学の面から調べられた．研究初期には，光をあてて光合成反応が起きるときに必要な基質と反応によってできる分子を特定した．その後，酵素の種類や，電子伝達系をており，細胞膜よりも効率よくはるかに面積が多くなっている．

28

日本惑星科学会誌Vol. 32, No. 1, 2023

表7: 大腸菌の分子組成 [21]

成分

重量(%)

水

70

タンパク質

15

核酸 ( DNA)1( R NA)

6

糖類

6

脂質

2

その他の有機分子

1

無機イオン

1

3. 生命構成元素の由来
この節では，生物を構成する分子と元素と，その由来を簡単に説明する．

3.1

生き物の組成生き物はどんな分子，どんな元素でできているのか．
表7は大腸菌の成分を重量%で示している．大腸菌は生物学で最も代表的な生物として，様々な分析が行われている．他の微生物，動物や植物等の多くの生物でも，細胞構成成分の比率はほぼ同じである．その成分構成
は水が70%程度，有機化合物が30%程度である．その中でもタンパク質が最も構成比率が高い．タンパク質は機能性の高い成分である．
タンパク質は，アミノ酸の重合によってできる高分

図5：リゾチームの立体構造．下図右の凹み矢印部分に上図では矢印の分子（反応基質：紫）がはまり込み，切断反応が触媒される．原子は，白：炭素（水素は省略されている），青：窒素，赤：酸素，黄：イオウ．

子化合物である．アミノ酸50~100個以上が，決まった機能を発揮する．つまり，図5の構造決定にはアミノ酸配列で結合してタンパク質ができる．このアミノ酸配列の疎水性と親水性が寄与しており，構造決定には溶媒

は，遺伝子によって決まっている．

として水が必要である．

例えば図5はリゾチームという名前の触媒タンパク

こうして，水はタンパク質の構造維持に重要な役割

質，酵素の立体構造である．リゾチームは涙の成分でをもっている．また，水は非常に優れた溶媒である．溶ある．リゾチームは細菌の細胞壁を分解する触媒活性

媒として体内の代謝系タンパク質や代謝産物を溶解し，をもち，殺菌作用をしめすことで細菌感染を防いでいその移動や拡散に大きく関与している．その他，脂質膜

る．リゾチームのアミノ酸配列は遺伝子によって決まっの形成にも膜脂質の疎水性と親水性部分が寄与してており，その配列はヒト個人ごとに変わることはない．

いる．したがって，水の存在が膜構造形成に必要であアミノ酸配列が決まると，疎水性のアミノ酸は内側へ，る．水は分子間水素結合によって多量体性を持ってい親水性のアミノ酸は外側へ移動する．アミノ酸の構造

る．水は水素結合の寄与によって，蒸発熱，凝固熱およがジグソーパズルの様に組上がって，タンパク質の立体

び比熱が高い．これが地球表面の温度の安定化にも寄構造が形成される．立体構造が決まると，基質（図5上与している．

の矢印の紫）が結合する部位ができる．反応を触媒する残基が基質に対して適切な位置にくることで，触媒宇宙での生命の起源，進化，伝播および探査 第1回 地球科学からわかる有機化合物の起源／山岸29

図6：宇宙における元素存在量．Lodders [24]より作製．

表8: ヒトの元素組成 [22]．

元素

乾燥重量(%)元素

乾燥重量(%)

C

61.7

F

痕跡

N

11. 0

Si

痕跡

O

9. 3

V

痕跡

H

5.7

Cr

痕跡

Ca

5. 0

Mn

痕跡

P

3. 3

Fe

痕跡

K

1. 3

Co

痕跡

S

1. 0

Cu

痕跡

Cl

0.7

Zn

痕跡

Na

0.7

Se

痕跡

Mg

0. 3

Sn

痕跡

B

痕跡

Mo

痕跡

表9: 海水の元素濃度[23]．

海水mg /k g

3. 2

Cl

19350

ヒトの 元 素 組 成と宇 宙における元 素
存在量比，海水成分との比較

Na

10780

Mg

1280

ヒトの身体を元素にまで分解して分析すると
（表8），

S

898

Ca

412

K

399

Br

67

主成分は炭素，窒素，酸素，水素であるが，これらは宇宙に多い元素でもある（図6）．宇宙に多いから利用しているとは言えないが，少なくとも利用可能であったとは言える．これらの元素は，原始大気の成分である二酸化炭素あるいは一酸化炭素，窒素，水蒸気にも含まれ30

日本惑星科学会誌Vol. 32, No. 1, 2023ていた．
ヒトを構成する元素の内，炭素，窒素，酸素，水素にとはない．RNAは乾燥することで，多量体を形成する．これも，リボザイム活性を持つ配列が偶然重次いで多い成分はカルシウム，カリウム，イオウ，塩素，合によってできる確率は極めて低い（第2回参照）．

ナトリウム，マグネシウムで（表8），これらは海水の成分

質問：宇宙の全物質の原子数を合わせてもタンパク質

でもある
（表9）
．海水成分は地殻から溶け出した物であ一つの合成を試すために足りない．しかし，生物り，ヒトのこれらの成分は地殻由来と言っても良い．

は誕生した．なぜ？

3.3

生命構成元素に関するまとめ

回答：1950年代，J. モノーによって指摘されている課題でもある．何らかのダーウィン進化が初期から働生命を構成する分子は水が約70%で有機化合物がいたというのが可能性のひとつ．もう一つは，全約30%，有機化合物の中でタンパク質が最も多くを占め宇宙がインフレーションの拡大によって現在見える機能性分子である．タンパク質を構成するアミノ酸残ている範囲よりはるかに大きい可能性がある．そ

基の疎水性と親水性等の残基の性質によってタンパクの場合には，生命誕生に必要な配列空間を試行

質立体構造が決まっている．水は，タンパク質や膜構造

錯誤するのに充分な原子があるという計算もあるを維持することと，種々の代謝関連分子の溶媒として機能している．
生体構成元素は，炭素，窒素，酸素，水素であるが，これらは宇宙に多い元素でもある．残りの生体構成元
素として海水成分と同じ元素が含まれている．

3.4

生命構成元素の由来に関する質疑応答

質問：タンパク質の構造の決定方法は，乾燥させてX線解析するのだろうか？
回答：タンパク質を結晶化するが，その方法は単純に乾（Totani [25]）．
質問：タイタンの表面には液体の有機化合物がある．そこでは，同じタンパク質をもつ生き物を探すことはできるか？
回答：タイタン表面の液体，エタン・メタンは疎水性である．エタン･メタンの液体中に，タンパク質のような多量体分子ができてダーウィン進化によって構造をとるようになったとする．すると，おそらく親水性が内側で疎水性が外側のタンパク質，つまり水溶液中とは裏表逆のタンパク質ができるのでは燥するわけではない．乾燥はさせず，徐々に吸湿ないかと推定している（第2回参照）．

させてタンパク質溶液の濃度をあげる．結晶のX

質問：氷が浮くと，なぜ環境が安定化するのか？

線回折をおこない，分子構造を決定する．

回答：氷は熱伝導度が低いので熱伝導が妨げられる．

質問：得られたタンパク質の構造は正しいのか．

氷が浮いて下側の液体の水の上に保温性の蓋が回答：X線解析を行う結晶内では，溶液中では存在しできた構造になるので，液体の水が保温されて保ない隣接タンパク質分子同士の相互作用が発生している．その効果で接触箇所の構造が微妙に変わる可能性はある．しかし，その変化はそれほ持される効果がでてくる．
表10: Murchison隕石中に含まれる有機化合物量[33]．

ど大きくなく，タンパク質の全体構造が結晶化でCompound class

かわることはない．

Amino acids

質問：実験によって，生物の起源となるものを化学的に合成することは可能か？

Concentration (ppm)
17〜60

Aliphatic hydrocarbons>35

Aromatic hydrocarbons

3319

Fullerenes>100

成可能である．RNAは水溶液中で合成可能．ア

Carboxylic acids>300

ミノ酸は乾燥状態で高温にすることで，脱水熱

Hydrocarboxylic acids

15

重合してプロティノイドになる．しかし，遺伝子でPurines and pyrimidines

1. 3

配列が決まっていないプロティノイドは，ペプチド

Alcohols11

鎖が溶媒中でランダムなブラウン運動をしている

Sulphonic acids

68

状態で，タンパク質の様な決まった構造をとるこ

Phosphonic acids

2

回答：アミノ酸はMillerの気体中での放電によって合宇宙での生命の起源，進化，伝播および探査 第1回 地球科学からわかる有機化合物の起源／山岸31

表11: Murchison隕石中に含まれるアミノ酸[34] ．#は生物が使っているアミノ酸．

α

GlycineαD-Alanineα

L-Alanine#αD-allo-Threonineγ

L-4-A-3-HBA

α

L-allo-Threonine

γ

γ-ABA

#

α

DL-α-MethylserineαD-Valineα

SarcosineαD-Homoserineα

L-Valine

αD-Serineα

L-Homoserine

αD-Norvalineα

L-Serine

βD-β-ABAα

L-Norvaline#

βD-IsoserineβL-β-ABAαDL-Isovaline

βL-Isoserine

βD-β-AIBAα

D-Glutamic acid

#

#
#

β

β-AlanineβL-β-AIBAα

L-Glutamic acidαα-AIBAβDL-β-HomoserineβD-β-(Aminomethyl)-succinic acidαD-α-ABA

βDL-3-Amino-2-(hydroxy-methyl)
propanoic acidβL-β-(Aminomethyl)-succinic acidα

L-α-ABAβDL-Isothreonine

αD-α-Aminoadipic acidαD-Aspartic acidα

L-Aspartic acidαD-Threonineα

L-Threonin##βD-allo-Isothreonine

α

L-α-Aminoadipic acidβL-allo-IsothreonineαD-LeucineγDL-4-A-2-HBA

α

L-Leucineγ

D-4-A-3-HBA

αD-Isoleucineα

L-Isoleucine##

質問：ケイ素も多いけど，使われていないのか？

線，紫外線，放電，粒子線などを用いて合成可能であ

回答：大多数の生物はケイ素を使っていない．珪藻がケることがわかってきた．しかし，窒素原子が気体成分にイ酸の殻をもつこと，放散虫と呼ばれる生物種が入っていると合成された分子にアミノ基が入ってしまう

放射状に突出する骨針や、外側を覆う殻としてケために糖を合成することは難しい．

イ酸を使っているだけである．ケイ素も4本の腕

またMillerの行った実験はタイタンの大気を想定しを持つので，炭素同様の化合物をつくっても良い

た還元型大気での実験であったが，その後，初期地球様にも見えるのだが，地球にはケイ酸とケイ酸塩の大気成分は火山ガスに近く，二酸化炭素や一酸化炭

しかケイ酸化合物は見当たらない．工業的にケイ素を含むものの，メタンやアンモニア，水素を含んでい酸化合物が合成されて使われているが，これも炭ない可能性が高くなってきた．こうした大気は，弱還元素を含む分子である．二酸化炭素にくらべてケイ型大気とよばれるが，弱還元型大気のもとでは，有機酸（SiO2 ）が安定すぎるためケイ酸以外の構造が化合物合成の効率は極めて低い．そこで，有機化合物

採りにくいと思われる（第2回参照）．また，水に対が宇宙起源であるいう可能性が高まっている．

する溶解度も炭酸より低い．

4. 化学進化：生命誕生前の有機合成

4.1

宇宙空間での有機化合物合成

宇宙空間での有機化合物探査に関しては，Ohishi[28]が詳しい．既に宇宙空間で，多くの有機化合物が見化学進化に関しては，Kobayashi [26]が 詳しい．

つかっている．分子雲中では200種類を越える有機化

Millerは1953年，CH4，NH 3，H 2，H 2Oの混合気体中合物が検出されている．彗星からスターダスト計画で持で放電することにより，アミノ酸や有機酸などの種々のち帰られた惑星間塵中からはグリシンが検出されてい有機化合物が合成可能であることを示した[27]．そのる[29]．

後，多くの実験が行われ，アミノ酸と核酸塩基は宇宙32

日本惑星科学会誌Vol. 32, No. 1, 2023

(1) 隕石中の有機化合物

機化合物が合成された．合成された有機化合物は，酸

隕石中有機化合物に関してはYabuta [30]が詳しい．

や水不溶性の高分子化合物であるが，加水分解によっ

隕石には多くの種類があるが，その中でも炭素質コンてアミノ酸や有機酸を生じるような構造を持っているドライトという炭素に富む隕石で有機化合物が多く検[26, 30]．

出されている．一般には，隕石を地球で採集する場合

その後おそらく，有機化合物を含むケイ酸塩と氷のには，地球由来の有機化合物が混入する可能性がある

微粒子が集まって，だんだんと大きな天体となった．天が，Murchison隕石は，地球落下後に時間をおかずに体が充分に大きくなると微粒子成分の融解が起き，分採集されたため，地球由来の有機化合物混入の可能性

画によって岩石惑星型の天体となった．つまり，天体がは低い．この隕石の成分を調べたところ，たくさんの有

中心部の金属性の核，それを取り巻く岩石性のマント

機化合物が含まれていた（表10）．

ル構造に分化した．それらが再び破壊されたことによっ

Murchison隕石では数十種のアミノ酸が検出されてて，鉄隕石，エコンドライトと石鉄隕石となった．分画がいる（表11）．アミノ酸にはカルボキシル基とアミノ基が起きない段階で微粒子成分の変質程度が低い物がコある．生物が使っているアミノ酸は，カルボキシル基とアンドライトで，その化学組成でエンスタタイトコンドライ

ミノ基が一つの炭素（α炭素とよぶ）に結合していて，こト、普通コンドライト、炭素質コンドライト等に分類されれをαアミノ酸と呼ぶ．カルボキシル基とアミノ基が一ている [30]．

つ隣の炭素
（β炭素）
に結合している場合には，βアミノ酸と呼ばれる．Murchison隕石中には，αアミノ酸の他に，βアミノ酸やγアミノ酸が多数見つかっている．

4. 2

第4節のまとめ：化学進化

Millerの実験以来，初期地球大気での有機化合物

また，αアミノ酸のα炭素の結合が鏡像異性のアミノ合成の実験が行われてきたが，初期地球大気は弱還酸，D型アミノ酸とL型アミノ酸が存在するが，生物は元的で有機化合物合成には適していなかった可能性

そのうちL型アミノ酸を用いている．隕石中にはD型とが高い．一方，宇宙での有機化合物の研究が進んでいL型が同程度の比率で含まれている．ただし，L型のほる．炭素質隕石中には多種のアミノ酸や核酸塩基が検うが少し高い比率をもつアミノ酸もある[31]．生物はL出されている．炭素質隕石に含まれる有機化合物は，型アミノ酸を利用してタンパク質を合成しているが，初宇宙空間で合成され，様々な過程を経て隕石となった．

期に地球にもたらされた隕石中アミノ酸のL型過剰が温度が充分低下したあとの初期地球表層に隕石中有その起源である可能性もある．

機化合物がもたらされた可能性が高い．

この隕石には，生物が使っているアミノ酸よりも，はるかに多い種類のアミノ酸が含まれている（表11）．核4.3 第4節に関する質疑応答

酸塩基も，生物が使っているグアニンやアデニンを含

質問：芳香族アミノ酸の重要性はないのか？

む多数の塩基が見つかっている[32]．その中で，なぜ回答：芳香族分子そのものは，Murchison隕石中に大現存の生物が20種のアミノ酸を選択的に使っているの量に含まれているが（表10），これまで芳香族アか，なぜ5種の核酸塩基を使っているのは不明である．

ミノ酸に関してはフェニルアラニンとチロシンが報告されている[35]．タンパク質にはフェニルアラ

(2) 有機化合物のできかた

ニン，チロシン，トリプトファンという3つの芳香族

宇宙では，星間分子雲中で200を超える有機分子種

アミノ酸が含まれている．一方，生物が用いる20が検出されている[28]．それらは，彗星，隕石として地のアミノ酸種がなぜ，用いられているかは，まだ球にやってきた可能性が高い[30]．

はっきりわかっていない．ただし，生命誕生後あ

宇宙空間でどの用に有機化合物が合成されたのかとる時期までは，生物が20種よりも少ない種のアミいうことに関して，グリーンバーグのモデルが提案されノ酸種だけを用いていた可能性も提案されていている[26, 30]．このモデルでは，μm以下のケイ酸塩

る．その場合，例えばアラニン，フェニルアラニン，

粒子の周りに氷の層ができ，その中に取り込まれた一イソロイシン，リシン，ロイシン，メチオニン，グル

酸化炭素やアンモニア等が放射線によって重合して有タミン，セリン，トレオニン，トリプトファンは無く

宇宙での生命の起源，進化，伝播および探査 第1回 地球科学からわかる有機化合物の起源／山岸ても機能するタンパク質を構築できる（Shibue ら[36]）．つまり，初期生命は芳香族アミノ酸をあまり使っていなかった可能性もある．
質問：グリシンの次に見つかるべきアミノ酸は？
回答：宇宙塵中に見つかってほしいアミノ酸という意味

33

引用文献
[1] Genda, H., 2019, in Astrobiology: From theorigins of life to the search for extraterrestrial
intelligence (Singapore: Springer Nature), 197.

であれば特に指定はないが，アラニンがグリシン[2] 掛川 武, 2017, 生物の科学 遺伝 71, 133.

の次に簡単な構造を持っているので見つかりや[3] Sugitani, K., 2019, in Astrobiology: From the

すいのではないか．
質問：アミノ酸が隕石中などで重合していることは？
回答：隕石の種類によっても異なるが、アミノ酸は検出

origins of life to the search for extraterrestrial
intelligence (Singapore: Springer Nature), 229.
[4] Wilde, S. A. et al., 2001, Nature 409, 175.

される量の半分程度が、100℃の水で抽出される[5] 下山 晃, 1995, 月刊地球 17, 440.

遊離のアミノ酸である．残りの半分程度は、その[6] Naraoka, H., 2010, Res. Org. Geochem. 26, 13.

残渣をさらに塩酸で抽出したときに検出されるの[7] Mojzsis, S. J. et al., 1996, Nature 384, 55.

で，おそらく不溶性高分子として存在している．ア[8] Schopf, J.W. and Packer, B. M., 1987, Science

ミノ酸のダイマーも検出されている[37]．

237, 70.

質問：隕石中でアミノ酸はどうできたのか？

[9] Karl, D. M. et al., 1980, Science 207, 1345.

回答：星間空間の温度の低い部分で，シリカのサブμm[10] Grassle, J. F., 1985, Science 229, 713.

サイズのコアができ，コアの周りにできた氷に水素，一酸化炭素，窒素あるいはアンモニアが溶け込み，放射線照射されたことによりアミノ酸ができた．その微粒子が重合してだんだん大きな塊となり，途中の過程をへて隕石となって地球へやってきた．

[11] Jannasch, H. W., 1985, Proc. R. Soc. Lond.
B225, 277.
[12] McCollom, T. M. and Shock, E. L., 1997, Giochim. Cosmochim. Acta 61, 4375.
[13] Kato, S. et al., 2010, Environ. Microbiol. 76,
2968.

質問：ラセミ体はできないのか．

[14] Ueno, Y. et al., 2001, Int. Geol. Rev. 43, 196.

回答：ラジカル反応でできる不溶性高分子中のアミノ[15] Tice, M. M. and Lowe, D. R., 2004, Nature 431,

酸は基本的にはラセミ体のはずである．ただし，

549.

L体とD体のどちらが選択的に合成されたかある[16] Isozaki, Y. et al., 1997, EOS 78, F 399.

いはどちらが選択的に分解されたことによってL[17] Kato, S. and Yamagishi, A., 2016, Deep-Sea Res.

体過剰あるいはD体過剰になる可能性はある．そPart I 110, 99.

のプロセスはいくつか提案されて，実験検証がお[18] Ueno, Y. et al., 2006, Nature 440, 516.

こなわれている．

[19] 金子雅紀, 奈良岡浩, 2011, Res. Org. Geochem.

質問：糖はみつかっている？
回答：Murchison隕石中に糖リボースがみつかっているが，塩基と縮合しないので，ヌクレオチドの合成過程が問題となっている（第2回参照）．
質問：アミノ酸が宇宙由来であるとすると，量的にはどのくらい必要であるか？
回答：わからない．海に溶け出すと薄まってしまうので，

27, 55.
[20] Naraoka, H. et al., 1997, Geochem. J. 31, 155.
[21] Watson, J.D., 1976, Molecular Biology of theGene, 3rd ed. (New York: Benjamin).
[22] ICRP, 1974, in Report of the task group onreference man ICRP Publication (Oxford:
Pergamon Press), 23

濃縮方法を考えないといけない．波打ち際，陸の[23] DOE, 1994, in Handbook of methods for the

池やクレーター等が生命の起源の場所として検analysis of the various parameters of the

討されている（第2回参照）．

carbon dioxide system in seawater. version
2 (Washington DC: USDOE), ORNL/CDI-34

日本惑星科学会誌Vol. 32, No. 1, 2023

AC-74.
[24] Lodders, K., 2003, Astrophys. J. 591, 1220.
[25] Totani, T., 2020, Sci. Rep. 10, Article number:
1671.
[26] Kobayashi, K., 2019, in Astrobiology: From theorigins of life to the search for extraterrestrial
intelligence (Singapore: Springer Nature), 43.

intelligence (Singapore: Springer Nature), 23.
[31] Cronin, J. R. and Pizzarello, S., 1997, Science
275, 951.
[32] Callahan, M. P. et al., 2011, Proc. Natl. Acad.
Sci. USA. 108, 13995.
[33] Ehrenfreund, P. et al., 2002, Rep. Prog. Phys. 65,
1427.

[27] Miller, S. L., 1953, Science 117, 528.

[34] Koga, T. and Naraoka, H., 2017, Sci. Rep. 7, 636.

[28] Ohishi, M., 2019, in Astrobiology: From the[35] Burton, A. S. et al., 2012, Chem. Soc. Rev. 41,

origins of life to the search for extraterrestrial
intelligence (Singapore: Springer Nature), 11.
[29] Elsila, J. E., 2009, Meteor. Planet. Sci. 44, 1323.
[30] Yabuta, H., 2019, in Astrobiology: From theorigins of life to the search for extraterrestrial

著者紹介
山岸 明彦
東京薬科大学 生命科学部 名誉教授．東京大学 大学院理学系研究科 相関理化学専攻 博士課程修了．
理学博士．日本学術振興会 奨励研究員，カリフォル
ニア大学 バークレー校 博士研究員，カーネギー研
究所 植物生理学部門 博士研究員，東京工業大学
生命理工学研究科 助手，東京薬科大学 助教授，準教 授，教 授を経て，2018 年 4 月に退職して名誉教授．専門は分子生物学･微生物学．日本惑星科学会，
極限環境生物学会，宇宙生物科学会，生命の起原および進化学会に所属．

5459.
[36] Shibue, R. et al., 2018, Sci. Rep. 8, 1227.
[37] Shimoyama, A. and Ogasawara, R., 2002, Orig.
Life. Evol. Biosph. 32, 165.