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岩石と熱水によるアミノ酸合成

Nature ダイジェスト Vol. 16 No. 3 | doi : 10.1038/ndigest.2019.190330

原文:Nature (2018-12-06) | doi: 10.1038/d41586-018-07262-8 | The rocky road to biomolecules

John A. Baross

海底下深くで起こる岩石と熱水の化学反応によって、生物学的な要素なしに芳香族アミノ酸「トリプトファン」が合成されることが実証された。この過程は、地球上での生命の誕生に貢献した可能性がある。

図1 大西洋中央海嶺付近の海底にある熱水噴出域「ロストシティー」にそびえ立つ炭酸塩のチムニー。 | 拡大する

IFE, URI-IAO, UW, Lost City Science Party; NOAA/OAR/OER; The Lost City 2005 Expedition.

米国の詩人ロバート・フロストはかつて、『火と氷(Fire and Ice)』という作品の中で「地球上の生命を滅ぼすのは火なのか氷なのか」と思いを巡らせた。反対に、科学者たちは長い間、「地球上の生命が誕生したのは高温環境下なのか低温環境下なのか」と問い続けてきた。果たして、生命は高温の火山環境で生まれたのか?1,2それは、チャールズ・ダーウィンが友人ジョセフ・フッカーに宛てた書簡(go.nature.com/2q8w3n5参照)で思索したように、「小さな暖かい池」で始まったのか? あるいは、我々は氷をも含めた地球規模の環境を考える必要があるのか?3 それとも、生命が誕生するには海底の限られた環境だけで十分だったのか?1-5 今回、パリ地球物理学研究所(フランス)の地球微生物学者Bénédicte Ménezら6は、大西洋中央海嶺にほど近い「アトランティス岩体(Atlantis Massif)」の海底下深部から採取した岩石試料に、非生物的なアミノ酸合成の証拠を見いだし、Nature 2018年12月6日号59ページで報告した。アトランティス岩体は、その頂上に他とは全く性質の異なる熱水噴出孔が発見されたことで知られる。自然環境で非生物的なアミノ酸合成の証拠が示されたのはこれが初めてで、地球上での生命の起源を明らかにするための大きな手掛かりになると期待される。

深海底の煙突状の噴出孔(チムニー)から黒い熱水を噴き出す「ブラックスモーカー」は、火山活動が活発な中央海嶺沿いの、比較的新しい地殻に多く見られる熱水噴出孔である。このタイプの熱水噴出孔では、極めて高温(300〜400℃)で酸性度が高く、溶存気体と還元型の金属を高濃度で含む熱水が放出されており、析出した硫化物が黒色のチムニーを形成している。これほど過酷な環境であるにもかかわらず、ブラックスモーカーは独特の豊かな生態系を支えていることでも知られ、生命誕生のカギを握る場所と考えられてきた。

ところが2000年、大西洋中央海嶺付近のアトランティス岩体で、既知のどの海底熱水噴出孔とも異なる全く新しいタイプの熱水噴出孔が発見され、状況は一変する7。「ロストシティー(Lost City)」と名付けられたこの熱水噴出域には、比較的低い温度(50〜150℃)のアルカリ性の熱水を噴き出す巨大なチムニーが林立している。研究の結果、これらの熱水噴出孔では、かんらん岩(マグネシウムと鉄に富むマントル物質)が海水と反応して蛇紋岩へと変質する「蛇紋岩化作用」が起きていることが明らかになった。この反応では水素分子(H2)が生じ、熱水がアルカリ性となることで、炭酸塩に富む白色のチムニーの成長が促進される(図1)。蛇紋岩化作用ではまた、ギ酸塩、酢酸塩、ピルビン酸塩など、さまざまな有機分子が生成する。こうした有機分子は、ロストシティーに見られる高密度の微生物群集を育むのに重要な役割を果たしている可能性があり、生命の誕生につながった生化学的な段階でも使われた可能性がある8,9。ロストシティーの研究からは貴重な科学的知見が山のようにもたらされ、熱水噴出孔や初期地球の地質学的歴史に関する我々の理解が大きく変わった10。そしてそこから、生命誕生の場となり得る環境について、検証可能な新仮説が浮かび上がった。

マグマに熱せられた海水が噴出するタイプの熱水噴出孔をシミュレートした室内実験から、生物学的な要素がなくても化学反応のみでアミノ酸を合成できることが示されている11。しかし、ロストシティーのような蛇紋岩化作用に起因するタイプの熱水噴出孔でもそうした非生物的アミノ酸合成が起こり得るかは不明だった。また、ロストシティーの熱水からは複数のアミノ酸が検出されているが12、その起源、つまり、それらが非生物的な合成で生じたものなのか、あるいは噴出孔に生息する微生物群集に由来するものなのかは明らかにされていなかった。

海底下での蛇紋岩化作用は、アミノ酸などの窒素含有有機化合物の効率的な「製造工場」となり得るのか? それを探るため、Ménezらは今回、アトランティス岩体の海底下170m以深から回収された岩石試料の詳細な分析を行った。その結果、高分解能の画像化法、分光分析法、質量分析法による解析の全てで、芳香族アミノ酸である「トリプトファン」の存在を示すデータが得られた。このアミノ酸は遊離型で存在するとみられ、同じ試料領域に海洋溶存有機炭素や深海微生物の痕跡は一切認められなかった。これは、調べた岩石試料が周囲の海水で汚染されておらず、検出されたトリプトファンが微生物由来ではないことを示している。この試料からは他にも、インドール、スカトール、ヒドロキシアントラニル酸といった有機化合物が検出された。これらはいずれもトリプトファンの分解生成物だが、インドールは非生物的なトリプトファン合成における反応中間体でもある。また、トリプトファンが検出されたのが鉄に富むサポナイト(熱水変質作用で生じる粘土鉱物)の中であり、サポナイトは有機合成反応の優れた触媒であることから、Ménezらはこれらのトリプトファンが、サポナイトを触媒として「フリーデル・クラフツ反応」と呼ばれる芳香族置換反応によって生成した可能性が高いとしている。

アトランティス岩体における非生物的なトリプトファンの合成は、ロストシティーの熱水に含まれるトリプトファン分子のキラリティー(掌性)を調べることで、さらに裏付けられるだろう。トリプトファンは2つの鏡像異性体を持つキラルな分子で、通常、非生物的過程による合成では2種類の異性体が同じ割合で生成するが、生物的に合成される場合は一方の異性体だけが生成する。つまり、トリプトファン分子の構造情報から、その合成経路が推測できることになる。

Ménezらの研究はさらに、「熱水噴出孔の条件では、どのような機構で窒素分子(N2)がアンモニア(NH3)に還元されるのか」という長年の謎にも光を当てている。多くの場合、熱水噴出孔で検出されるNH3は、非生物的な合成ではなく埋没した有機堆積物に由来することが分かっている13。これに対し、Ménezらは今回、岩石試料中に鉄に富むサポナイトの存在を確認し、こうしたサポナイトがトリプトファン合成を触媒した可能性を示した。鉄に富むサポナイトは、有機合成反応の他にもN2のNH3への還元反応を触媒し得ることが示されており、トリプトファンの原料であるNH3もまた、この鉱物の触媒作用によって非生物的に生じた可能性がある。これら一連の反応機構を考えると、核酸(DNAとRNA)の成分であるピリミジンやプリンといった複素環式アミン分子も、同様の反応で非生物的に合成される可能性は高い。さらに、サポナイトは有機ポリマーの形成を促進する機能も持つ14,15

蛇紋岩化作用には、生命の誕生において重要な役割を果たしたであろう有機化合物の合成や蓄積といった能力の他にも、生命の起源と居住可能な条件の確立に関して興味深い意義を持つ2つの特徴がある5,8。1つは反応に伴う発熱で、反応が起こる部位の温度は最大で200℃以上に達することもある4。そして、こうした発熱によって岩石の加水反応が促進され、これが岩石の膨張につながる。この膨張がもう1つの特徴であり、膨張によって岩石中に無数の細孔が生じることで、反応が起こる表面積が増大する。一方、テクトニックプレートの移動によって海底の一部が地球内部へと沈み込む際には、深さが増すにつれて温度と圧力が上昇するために、蛇紋岩化作用の逆反応、つまり「脱蛇紋岩化作用」が起こると考えられ、このときに放出される水によって海底火山の形成が促進される可能性がある。生命を支える主要元素の再循環には、こうした機構が関与しているのかもしれない。

生命が誕生した年代(44〜35億年前)の地質記録には、鉄やマグネシウムに富む鉱物(苦鉄質地殻を形成する岩石の特徴)など、熱水変質作用によって岩石から抽出された可能性のある鉱物が豊富に含まれており、これは、この時代の地球に熱水活動が存在したことを強く示している。しかし、地球史の最初の10億年間は、マントルからの熱があまりに膨大で、プレートテクトニクスが起こる環境ではなかった16,17。そのため、この期間、地球内部の熱は主に海底火山を通して失われたと考えられる。当時の地殻はケイ酸塩鉱物や鉄に富んでいたため16,17、蛇紋岩化作用の反応は高速で進み、高濃度のH2と有機化合物が生成されたと予想される。

こうした作用により火山岩を通して海水が広範囲に循環した結果、深部から熱、流体、ガスが上昇して、対流セル(液体中または気体中の密度差に起因する流れによって特徴付けられる現象)が生じた可能性がある。そして火山岩環境では、こうした対流に伴って、温度、圧力、化学組成、乾湿サイクル(有機化合物の重合などの化学反応を促進することが知られている加水–脱水サイクル)に勾配が生じたのかもしれない。地球上の生命が誕生した状況や、生命が最初に根付いた環境がどのようなものであれ、生命が存在するのに必要な有機化合物の利用可能性を高める上で重要な役割を果たしたのは、おそらく蛇紋岩化作用だったのだろう。

アトランティス岩体の蛇紋岩化作用を理解する科学的意義は、さらに奥深い。氷に覆われた土星の衛星「エンセラダス」では、アトランティス岩体などに見られる、生命を支えるとされる化学的特性が数多く観測されている18, 19。こうした化学的特性は、エンセラダスや木星の「エウロパ」といった氷の衛星が生命を支え得るかどうか、あるいは実際に過去に生命を支えたかどうかにかかわらず、生命の誕生につながる可能性のある地球化学的過程に関して重要な知見をもたらすだろう。そうした地球化学的な解析の結果は今のところ、生命の始まりにおいて熱水系が極めて重要な役割を果たしたとの仮説を裏付けている。今回のMénezらの研究をはじめ、現在進められている数々の熱水噴出孔研究は、地球外生命体探索の取り組みにも役立つと考えられる。プレートテクトニクスや熱水系などの地球物理学的特性の証拠を持つ惑星体は、そうした特性の証拠を持たない惑星体よりも、炭素系生命体を獲得して維持できる確率が高いと予想される。だとすれば、そうした惑星に狙いを定めることで、地球外生命体を発見できる確率が高まるかもしれない。

(翻訳:藤野正美)

John A. Barossは、ワシントン大学(米国シアトル)に所属。

参考文献

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Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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