丸山、林、橋本、戎崎、2015

Workshop at Newcastle Univ., UK, 2016

Early history of the Earth and origin of life(35+15+10m.)
S. Maruyama (Earth & Life Science Institute, Tokyo tech., Japan)

1.
2.

3.
4.
5.
6.

Early history of the Earth: A summary
Research for the origin of life : Complexity science
The issue cannot be solved by only biologists→Our strategy is to reveal “the cradle of life (Hadean Earthenvironment)” and physical necessity of environmental fluctuation
What is life : Definition and requirements to emerge life
Combine our results with genome science and experiments ofprebiotic chemical evolution
Introduction of 3-step model to create life
Next strategy:①Laboratory experiments (nuclear reactor, toxic ocean etc)
②Numerical simulation of prebiotic chemical evolution③Falsifiability + Upgrading of working hypothesis→ We will be able to reach the truth

Programmed Research Projects

1. Early history of the Earth: Asummary

Classification of meteorite●bio-elements

images: Wikipedia, Center for Meteorite Studies, Meteorite Recon

Krot et al., in Treatise on Geochemistry
1.05, 83 (2005)

RH010b

Condensation from protoplanetary disk
(Crystallization of minerals)

Earth was dry when formed↓

Fe Ni metals
Anhydrous silicates
Clay minerals
Organic materials
ice
H2

2.1
1

0.38

2

1.52

2.7
3

4

Asteroid belt

remained unaltered

6

5

5.2

7
10

30

50

40

9.6

Distance from the Sun (AU)

Plute

0.72

Venus

Dust/volatile

Mercury

Earth

JupiterMars

SaturnR=10km
R=100km
H2O
core

R=2,000km
gas

mantleAsteroid belt

↑En ChR=2,400km

R=6,400km

R=3,400km

現在でも組成分帯が残る

R=70,000km

R=58,000km

粘土鉱物の累進的鉱物変化と8元素の同位体進化の地球アナロ

コアに塩素が取り込まれる？

地球形成過程を考慮すると、Clはコアにも軽元素として取り込まれる。

Oxygen isotope fractionation
Ordinary
Mars

Enstatite
Carbonaceous
Vesta

Krot et al., in Treatise on Geochemistry 1.05, 83 (2005)
Clayton, in Treatise on Geochemistry 1.06 129 (2005)

Moon

Dry and highly reduced Earth
Present Earth
EH

Late veneer• 炭素質コンドライトの付加は約44億年前• アノーソサイト形成の約1億年後

Fig.16

DeMeo and Carry (2014)

••Chemical zoning in the asteroid belt
Carry, 2010とDeMeo et al., 2012から•作成した各小惑星を隕石と対応させて作成した図。

•

アステロイドベルト中のの各隕石の存在比を示す
Enstatiteは2.5AUより内側で存在する。
炭素質コンドライトは主に2.5AUより外側に存在する。

••

Hydration of upper mantle through asteroid bombardments at 4.4Ga

RH044

Late Veneer:1,000-100 times
More volatiles and platinum
elements
Upper mantle
Lower mantle(Anhydrous)

Primordial
continent

Hydrousupper mantle

Hydration
Core

KREEP
lower crust

Basal magma
oceanPrimordial
Atmosphere(CO2+H2O)

A short summary(geochronology)• 1. Formation of our solar system= 4.5７Ga• 2. Formation of dry Earth (4.567Ga) and solidificationof magma ocean (4.53Ga:Birth of primordial continents
for nutrients supply)• 3. Advent of Bio-element Landing (around 4.4Ga: Birthof ocean and atmosphere)• 4. Oldest records of possible life (δ13Ｃ= - 20-30‰) at
4.2Ga• ●The Earth was born as a naked planet ca. 4.56Ga,
followed by delivery of bio-elements landing at 4.4Ga.
•

Carbon isotope δ13C as a tracer of life is back to 4.2Ga by our group. It ranges ca. -20-30‰
3.5Ga↓ seawater

Organic matter

Kawahata (2011)

2. Our research strategy for origin oflife• Research for the origin of life is complexity science
The issue cannot be solved by only biologists→Our strategy is
to reveal
1: “the cradle of life (Hadean Earth environment)”
2: physical necessity of environmental fluctuation
生命の起源研究は、生物学者だけでは解決できない複雑系科学• →その器の研究と環境変動の物理的必然研究が我々の戦略3. What is life?
Definition and requirements
1. Definition
membrane, metabolism, self-replication
2. Requirements①Supply of bio-elements (C,H,O,N)②Non-stop material circulation system driven
by the energy source (Habitable Trinity)→ Biosphere is the sub-system to createa phenomenon as life

Habitable Trinity environment
present day vs Hadean EarthHuge landmass is necessary on Hadean Earth
to provide nice place to bear life

4. Combine our results withgenome scienceandexperiments of prebiotic chemical evolution
われわれの研究成果に
ゲノム科学と前駆的化学進化実験を組み合わせる5. Introduction of
3-step model to create life
三段階モデルの提案

Nuclear geyser model

Non-thermal energy (ionizing radiation) is necessary to facilitate the reaction
非熱的エネルギー（電離放射線）源が必要（ただの温泉や中央海嶺では不可）

CO2, H2O and N2 are very stable materials thermodynamically on the Earth’s surface.
activedormant

Natural reactor can destroy those into elementary particles in the broad sense, i.e., proton,
neutron and numbers of electrons near the reactor, but those were react to form complex
Organic compounds away from the reactor.

Low Radiation level
inorganicorganic

purines
H2O

CO2

HCHO

HCN

pyrimidines
amino
acids
fatty acids
Ebisuzaki (2015)

High Radiation level
purines
H2O

HCHO
CH4

CO2

HCN

pyrimidines
amino
acids
fatty acids
Ebisuzaki (2015)

3 step model
1st primordial life in nuclear geyser
2nd primordial life under the Sun
3rd primordial life is the first prokaryote

Material circulation at 4.4Ga
between surface environment and geyser●Reaction of organic materials is accelerated through material circulation between surface
environment and inside of geyser.
●Building blocks of life can be produced in geyser main room.
●Due to closer Moon, strong tidal force create wet/dry to polymerize amino acids andmembrane by evaporation, those of which are transported to the small room for the birth1st primordial life in nuclear geyser at 4.4Ga●Necessary 20 ribozymes should have been produced at this stage in this small room
(temperature less than 80 ℃).
●Primordial life created extracellular symbiont to survive (symbiosis like virus)●1st primordial life periodically transported to the surface by the geyser to die.

2nd primordial life under the Sun at
4.3Ga
utilizing solar energy●First stage life was transported to the surface periodically through geyser explosion.
●Transition period from 1st primordial life to 2nd primordial life which can utilize solar energy
by application of principle of semiconductor (electron bank). Night has come to use ATP
stock in daytime.
●Still in symbiosis with others.

Ocean was not mother of life
• 1 Highly toxic (pH<1, 5-10 salinity, and highabundance of heavy metals) in nature to be
demonstrated by calculation and experiments(heating experiments of CI chondrites: on-going)• 2 This has been true even ca.600-500Ma for
emergence of metazoans (Cambrian explosion)• 3 Even today, most biomass is around continents
because of nutrients supply from landmass;
Ocean is desert!

4.2GaOcean was not mother of life
海洋は生命の母ではない●To prevent from entering toxic elements
such as Na inside the cell, Na-pump wasinvented, as well as cell wall.
● Multiple mass extinction and severe● environmental change made a series of process
spiral DNA shape and process of self-replication●Minimum gene ca. 100-200 entered into DNA

Change of Factory from I, through II and III, and finally to IV
for building blocks of life

Hadean – Archean Earth

Earth since 2.0Ga●Nuclear geyser continues to produce further advanced building blocks of life
( until 2.0Ga) to create Eukaryote, then stopped by half life of U decay.
●After the emergence of super-continent, new site of much more evolved
building blocks of life (metazoan and plant) appeared, it is a continental
rift where atomic bomb magma erupts to promote mutations, 100 times
faster evolution . Principle of life evolution is radiation same since its birth.

Clear the condition for the emergence of life
Where is the birth place?
生命の誕生場としての条件をクリアできるか

Environmental factors
環境的要素

On primordial
continent
原始大陸上説Hydrothermal
system
中央海嶺熱水系説

Mars
火星説

Universe
宇宙説

1

Energy source (ionizing radiation+ thermal energy)
エネルギー源（電離放射線＋熱エネルギー）

○

×

○

？

2

Supply of nutrients (P,K, KREEP etc) 栄養塩供給

○

×

○

×

3

Supply of enough nitrogen 十分な量の窒素供給

○

×

○

×

4

Life constituent elements 生命構成主要元素(CHON)

○

△

○

○

5

Concentration of reducing gas 還元的気体の高濃度化

○

×

？

×

6

Dry/wet cycle 乾湿反復環境

○

×

？

×

7

Non-toxic water environment 猛毒ではない水環境

○

×

？

×

8

Na poor water 水のK/Na比（Naが少ない水)

○

×

○

×

9

Diversified environments (Ocean: pH, salinity, heavy
metals, Atmosphere: T& P, Continent: varied
geology)
多様な環境（海洋：pH, 塩分濃度、重金属元素、大気：
温度、圧力、大陸：多様な地質と鉱物)

○

×

？

×

Mars kept ocean for the first 400million years after the formation
Universe does not have liquid water in the matrix
火星：最初の４億年しか海洋がなかった
宇宙：マトリックスに液体の水がない

Conclusions• １ Birth place of life at mid-oceanic ridge has alreadybeen collapsed (Falsifiability)• 2 Panspermia origin: a fantasy. Life is a phenomenon
as biosphere (subsystem) in the Earth system back to
its origin. Hence its transportation to the Earth musthave been Ecosystem transportation. The Earth musthave waited to accept it just as evolved to adjust
rapidly evolving environment for the evolving
ecosystem. Virtually impossible.
• 3 Birth place of life was not ocean, geyser system in alake on the primordial continent.

6. Next strategy
1) Reproductive experiments with nuclear reactor to demonstrate the working hypothesis
原子炉で再現実験

Strategy: Tissues (membrane, cell all, double spiral etc) and processes (self-replication, sodium
pump etc) record previous evolutional process. 組織とプロセスは環境化石● Bottom up group (Reproductive experiments for prebiotic chemical evolution)
前駆的化学進化の再現

input: N2,CO2,H2O,KREEP,Anorthosite, catalytic minerals, 30 kinds of ribosome etc
 monitor the reaction process and identify produced materials● Top down group (monitoring the reaction of modern species) 現生生物の反応を観察
input: OD1, bacillus subtilis, hepatitis virus etc OD１微生物,枯草菌、肝炎ウイルスなど
 monitor the reaction process and identify produced materials● Survival in toxic ocean
2) Numerical simulation of prebiotic chemical evolution based on laboratory experiments
under the condition of changing pH, salinity, abundance of heavy metals and pO2 andcatalytic minerals.
3) Falsifiability + Upgrading of working hypothesis 反証可能性によって作業仮説を検証→ We will be able to reach the truth of complexity science 複雑系科学の真実に限りなく近づく

End

Holmes (2013)

Primitive upper mantle normalized pattern

C1 Chondrite

TTG

Carbonatite & KREEP

Maruyama et al., 2013

中央海嶺熱水系は二次的な生息場（No virus & low salinity）
Continental rift (Lake)

中央海嶺熱水系微生物の誕生プロセス

大量絶滅の役割→細胞壁の誕生（湖：古細菌、海洋：バクテリア）
ウイルスは高温で死滅（低温域で常に進化）

5. What is new discoveries
成果：何が新しいか（研究史上の意義）

1. Suggestion of birth place and 3 step model(testable model)
2. ABEL model (dry planet + bio-elements landing)
3. Habitable Trinity model
4. Proposal of basic framework for Astrobiology
5. Special Issues 2016 (Origin of life andastrobiology) from Geoscience Frontier(Elsevier) 62 papers

Major（CHON）, minor and trace bio-elements●Need landmass which is a source of nutrients!

Holmes (2013)

Holmes (2013)

Universe is full of life A fantasy of life and its evolution1)Molecular could

2) Formation of disk and central star

3) Formation of planets

Presence of liquid water does notmean the birth of life
Habitable zone concept

4) Birth and evolution of lifeKawahata (2011)７ 論文＋科研費

５ ④太陽に代わる連続エネル
ギー供給体が必要
大気・海洋成分を熱力学的に不安定（連続的）にさせて連続反応を可能にするエネルギー源＝自然原子炉
地球内部の小さな太陽

原始海洋誕生火山（赤）上は表層暗黒下は薄い大気（薄い灰色）

多様で動的な冥王代表層環境
44億年前

40億年前

“Habitable Trinity” モデル(Dohm and Maruyama, 2014)

大気・海洋・大陸の共存と太陽エネルギーによる定常的物質循環

宇宙空間

大気 (CO2, N2)

三重点
海洋(H2O)RockRock

岩石 (P+K etc)

太陽エネルギー３ 表層環境（太陽が使えない）

膜の対応• １ 細胞壁• ２ ポンプ• ３第3次生命体とは何か？
• １ 定義• ①代謝• ②自己複製• ③膜• ④エネルギー連続供給体は太陽、現代型生物と同じ、物質とエネルギー循環• ２ ミニマム遺伝子との関係は

猛毒海洋の化学組成の定量化• １ ｐH• ２ 塩分
• ３ 冨金属元素• ４ 定量組成Universe is full of life A fantasy of life and its evolution1)Molecular could

2) Formation of disk and central star

3) Formation of planets

Presence of liquid water does notmean the birth of life
Habitable zone concept

4) Birth and evolution of life

Holmes (2013)1) Prebiotic chemistry in modern analogues
Serpentinization field (ONSEN project)
Team: PIs Maruyama/Kurokawa/Yoshida/Hongoh/Ueno & 5 students

Hakuba Happo

Courtesy of Suda@TITECH

Taxonomic composition of the 3H
microbiota over 3 years

Universal single copy genes (4 genes
concatenaged)
Ribosomal protein L6, L18, S5
SecY (total 904aa)

We can not find any acetyl-CoA module in OD1 (Parcubacteria)
draft genome sequences from other environments (soil, riverwater, gold mine)Brown et al., 2015

OD1 could be identified as monophyletic lineages ?

Brown et al., 2015

• Self-splicing introns and proteins encoded within their rRNA genes.
• Missing a ribosomal protein often absent in symbionts.
• Implies different ribosome structures and biogenesis mechanisms.

まとめ研究成果と今後の方向• １ 論文リスト• ２ 今後の研究計画：生命合成実験までの計
画（複雑系科学の研究方法：実験と作業仮説）

海洋の誕生、プレート運動、構造浸食、原初大陸の崩落、固体外核の溶融→強い磁場の誕生

第一次生命体誕生場• 間欠泉内部で生まれる過程を描く• 表１（リボザイム３０と類似リボザイム無限）• 細胞外共生、類似の無数の細胞外共生体可能、ウイルスと区別できない• 地球内部で無数の類似生命体、しかし、総量は極めて限定的→地表に噴出された生命体
が、太陽光を利用して進化を始める

第一次生命体有機化学反応• 有機化学反応の模式図（ミニマムジーンを満足するカギとなる反応と反応ネットワーク）• ＲＮＡ共生体：ウイルス参照：共同体形成• 物質循環系の模式図（表層環境、地質、物質循
環系、生命構成単位の順番形成、タールの場
所）それぞれを同じ間欠泉図で表現• 表層は暗黒（黒の中の白抜き）、地下では青色の光の世界だが、昼夜の繰り返し（温度も、高温は水の流入で制御：昼でも100℃を超えない間欠泉が必要）

第一次生命体のまとめ• １ ３０種類のリボザイム其々の役割を、細胞外共生体として明確化する。視点は①代謝、②自己複製、③膜、である。細胞外共生の場
合の膜（仕切り）とは何か？④エネルギー連
続供給体は？そして物質とエネルギーの流
れとは？

第二次生命体誕生• １ 太陽光を利用する半導体反応へ移行• ２ 分子モデルで表現• ３ 器（湖）の模式図と物質循環

第二次生命体（ＲＮＡワールド）の定
義• １ 定義• ①代謝• ②自己複製• ③膜• ④エネルギー連続供給体は太陽• ⑤物質とエネルギーの流れ• ２ ミニマム遺伝子との関係は

Primordial ocean is toxic
pH<0.1
Salinity=5-10 SU
Super-rich in heavy metals
super-acidic composition,
like mineral solution in the furnace中澤ファイルから• ６ 次の戦略：自然原子炉＋環境変化実験→
反証可能性と新作業仮説の提唱の繰り返し
で真実に限りなく近づく自然原子炉の役割• １ 生命誕生から真核生物出現までの新部品の生産工場• ２ ２０億年前まで駆動→以降は超大陸上のリフトが進化の工場（原爆マグマ）図を創る：生命の起源研究• １ これまでは生物学の問題• ２ 何故解けないか？生物の誕生はその器を含めた環境の中で、無機的な世界との反応で生まれたからだ。その環境は時間とともに大きく変化した• ３ 従って、その器（岩石・鉱物、水、大気・海洋）の研究が不可欠• ４ 器の起源は宇宙から惑星、地球の起源と組成進化を含む

３ 原初大陸の必要性とその実体

４ 多様な表層環境の重要性（Habitable trinity）

まとめ
１ 生命とは、●膜・代謝・自己複製●有機ラジカル・イオン・連鎖反応体
２ シュライバサイトのある地球表面に生命構成元素が降臨（ABELモデル）→有機化学反応が継続し続ける
３ 表層環境の多様性が生命誕生に至る前提条件（原始海洋＝4㎞±1㎞の限定条件）
４ 地球生命の誕生プロセスの提唱

ＡＢＥＬモデル• １ 根拠（８種の元素同位体の制約：地球ー
月系はエンスタタイトコンドライト起源だが水は炭素質コンドライト）起源• ２ まず無水・無海洋の裸の地球が生まれ
45.3億年前に固化し、44億年前に大気・海洋が誕生した）• ３ 炭素質コンドライトから100気圧ＣＯ２，300
気圧海洋をどのようにして創るか？

Hydration of upper mantle through asteroid bombardments at 4.4Ga

RH044

Late Veneer:1,000-100 times
More volatiles and platinum
elements
Upper mantle
Lower mantle(Anhydrous)

Primordial
continent

Hydrousupper mantle

Hydration
Core

KREEP
lower crust

Basal magma
oceanPrimordial
Atmosphere(CO2+H2O)

評価会議パワポ：生命誕生までの3段
階進化• 丸山茂徳• １ 生命誕生場の論争と回答• ２ 原始海洋は猛毒• ３ 原初大陸の必要性とその実体• ４ 生命とは何か；定義と条件• ５ 原始地球表層は使えない→地下原子炉
間欠泉• ６ 生命誕生までの3段階進化

評価会議パワポ：生命誕生までの3段
階進化• 丸山茂徳• １ 生命誕生場の論争と回答• ２ 原始海洋は猛毒• ３ 原初大陸の必要性とその実体• ４ 生命とは何か；定義と条件• ５ 原始地球表層は使えない→地下原子炉
間欠泉• ６ 生命誕生までの3段階進化

科学哲学：反証可能性（Falsifiability）

反証可能性（Carl Popper）• ①モデル（仮説）を実証することは不可能だ
が、モデル（仮説）を１つの観察や実験で葬り去ることができる。複雑系の科学（宇宙からゲノムまで）は、この論理を使って発展してきた。新たな観察や実験を説明できる新たか仮説を提案すればよい。
• ②例えば、戎崎Gのタンデムモデルは小惑星
帯の年代学（＋地質学）で殺すことが可能俯瞰科学の重要性

Programmed Research Projects

ホイッグ史観• １ 一般論（天動説ｖｓ地動説）• ２ ローウエルとセーガンの評価
Percival Lowell(1855-1916)
火星に運河（線状の模様）→宇宙戦争（ウエルズ）●自費で天文台（当時の世界最高レベル、自分で観測）（冥王星の発見、
宇宙膨張の最初の証拠）Carl Sagan(1934-1996)●暗い太陽のパラドックス●火星の表層の模様は砂嵐（精度の高い望遠鏡の時代）●啓蒙活動（惑星探査）●30年の火星探査の空白●ケイ素などの宇宙生命（国民の税金の搾取の仕方）Pb isotope chronology of asteroids?

５ 小惑星帯の歴史
History of asteroids suggests timing of blowout of nebular gas H2

約1.6億年後（44億年前）に大量の分化隕石・炭素質隕石が内側の岩石惑星に落下いつガスが晴れたのか？
Blow-out timing of nebular gas clouds?
• 隕石の年代学からの制約：惑星形成時の水素ガス散逸時刻を特定

６ 新しい惑星形成論

Smith (1982)

DeMeo and Carry (2014)

••Chemical zoning in the asteroid belt
Carry, 2010とDeMeo et al., 2012から•作成した各小惑星を隕石と対応させて作成した図。

•

アステロイドベルト中のの各隕石の存在比を示す
Enstatiteは2.5AUより内側で存在する。
炭素質コンドライトは主に2.5AUより外側に存在する。

••

Primary asteroids must be circular orbits not have been disturbed by Jupitar, andthose preserve the compositional change of chemistry.

半径250㎞に規格化した密度Towards the establishment of Astrobiology→ Universal Formation Model of Habitable Trinity Planets

Step:lk chemical composition oflar Rocky Planets
中心星からの距離の関数＝
度曲線）

Step:
k chemical composition ofversal Rocky Planets
ermined as a function oftral Star (chemistry and size)
distance (from CS)（中心星の成とサイズで密度曲線が変化）

Step:e birth and evolution ofbitable Trinity Planet
determined byernal dynamics of solid planet
星内部の初期進化でHTPへ

2.1

2.7