この致命的な毒はすべての生命の起源である

地球上に酸素が出現する前、環境はシアン化物で溢れていました。この致死性のガスはどのようにして地球上の生命の出現の重要な成分となったのでしょうか?

生命の起源というテーマは果てしない議論を引き起こし、科学者や研究者に頭痛の種を与えてきた。まだ解明されていない科学的謎はありますが、私たちが現在知っている世界は 45 億年前に創られた当時とは全く異なり、その材料も非常に異なっていたことは誰もが認めるところです。現在では生命にとって重要な要素となっている酸素は、23億3000万年前までは大気中に蓄積されていませんでした。

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では、地球の初期の大気は何で構成されていたのでしょうか?皮肉なことに、猛毒であるシアン化物は、地球上の初期の生命にとって重要な成分であった可能性がある。シアン化物は、生命を生み出した有機化合物の溶液である原始スープの重要な成分であったと広く信じられています。

スクリプス研究所の化学者らが主導した新たな研究は、初期の生命が地球の有毒な環境をいかにして生き延びたかについて新たな光を当て、同様の条件を持つ他の惑星が今日でも生命を支えることができる理由を説明した。研究結果はNature Chemistry誌に掲載された。

サスペンス・スリラー映画の中には、捕らえられたスパイが自殺するために青酸カリの錠剤を服用するというものがあります。実際、この即効性の毒は、さまざまな化学形態で長い歴史を持っています。これらの物質は多くの植物に含まれており、ガスとして吸入したり、粉末の形で摂取したり、局所的に接触して吸収したりすると、人間にとって非常に有毒です。

シアン化物は常に毒物や死と関連付けられてきましたが、科学者たちは、シアン化水素（HCN、気体シアン化物）が原始スープにおける生命の起源に重要な役割を果たしたと推測しています。どうしてこんなことが可能なのでしょうか?答えはあなたが想像するほど複雑ではありません。

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米国カリフォルニア州のスクリプス研究所の化学者ラマナラヤナン・クリシュナムルシー氏が、生命の起源に関する科学について簡単におさらいします。彼は、昔の生命体は化学組成が私たちや現代の他の生物とは異なっていたため、シアン化物に対して耐性があった可能性があると考えている。これは、今日の私たちにとって有毒な物質が、地球上の初期の生命にとっては有毒ではなかったことを示唆しています。

こう考えてみてください。酸素は人間にとって有毒ではありませんが、二酸化炭素は有毒です、とクリシュナムルシー氏は説明しました。しかし、化学組成が異なる植物や一部の動物にとっては、酸素ではなく二酸化炭素がエネルギー源となります。 「このことから、酸素が出現する前の初期の生命が二酸化炭素に依存していたのと同じように、初期の生命も生存するためにシアン化物に依存していたと推測できます。」

地球の大気中に酸素が形成された時、酸素が生物にとって有毒であったため、それに適応できなかった生物は絶滅しました。酸素に適応したり、酸素を生成する光合成を行う生命は、生き残り、進化し続けることができます。同様に、シアン化物に依存していた初期の生命体も同じ経験をしたとクリシュナムルシー氏は言う。彼らはエネルギー源として有毒化学物質を使用しており、シアン化物がなくなると、別の物質に適応するか、完全に絶滅します。

生命の有毒な原始スープ

クリシュナムルティ氏と研究所の化学者チームはこのテーマについて徹底的な研究を行った。彼らは初期の地球上の分子を忠実に再現し、混合物にシアン化物を加えた。この実験の重要な特徴は、「還元トリカルボン酸回路」、略して r-TCA に関係しています。

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本質的に、私たちが理解する必要がある複雑な生物学的プロセスには、タンパク質を使用して今日の生命に不可欠な化合物を形成することが含まれます。しかし、当時の r-TCA には小さな問題がありました。初期の地球には酸素が存在しなかったことを覚えていますか? r-TCA が機能するために必要なタンパク質も欠如していました。そのため、クリシュナムルティ氏のチームはシアン化物を使った実験を行った。彼らは、生命の最初の化合物を形成した可能性のある代替リサイクルプロセスをシミュレートしました。結果は、シアン化物がトリカルボン酸中間体および誘導体の非生物的変換を媒介する穏やかでありながら効果的な還元剤として作用することを示しています。実験で使用された分子は、今日の r-TCA と同じ合成経路をたどりました。

詳細な実験により、確かに 45 億年前の地球の大気がどのようなものであったかを垣間見ることはできましたが、生命の起源については、まだ答えられていない疑問が数多く残っています。地球上の生命は本当に毒から始まったのでしょうか？クリシュナムルシー氏は、この謎を解きたいのであれば、現在の生命がどのようなものか忘れて、45億年前の初期の地球に戻って想像しなければならないと推測している。ヒントとしては、彗星の接近通過、火山の噴火などがありますが、まだ人間の生命の兆候はありません。 「その特定の期間に起こる可能性のあるあらゆる化学反応に立ち向かう必要があった」と彼は語った。

生命の起源に関する科学は進歩し続けており、新たな研究が発表されるにつれてパズルに新たなピースが追加されていますが、まだ埋めるべきギャップが残っています。

論文情報

【タイトル】シアン化物は原始的還元剤として、原代謝還元グリオキシル酸経路を可能にする

【雑誌】ネイチャーケミストリー

【著者】マヒパル・ヤダヴ、スニール・プーレティクルティ、ジャヤスダン・R・イェラボル、ラマナラヤナン・クリシュナムルシー

【日程】2022年2月3日

【DOI】https://doi.org/10.1038/s41557-021-00878-w

【まとめ】

プレバイオティクス代謝経路の研究は、主に還元的クエン酸回路を非生物的に複製することに基づいています。節約の観点からは魅力的ですが、金属/鉱物を介した還元を使用する試みでは、非効率的で制御されていない反応を伴う複雑な混合物が生成されます。ここでは、シアン化物がトリカルボン酸中間体および誘導体の非生物的変換を媒介する穏やかで効率的な還元剤として作用することを示します。シアン化物付加物の加水分解とそれに続く脱炭酸により、オキサロ酢酸はリンゴ酸に、フマル酸はコハク酸に還元されますが、ピルビン酸と α-ケトグルタル酸自体は還元されません。グリオキシル酸、マロネート、マロノニトリルが存在すると、困難な還元カルボキシル化ステップを回避して、隕石中に見られる代謝中間体と化合物を生成する代替経路が出現します。これらの結果は、オキサロ酢酸とα-ケトグルタル酸を伴わない還元グリオキシル酸経路を含む、今日の代謝のより単純なプレバイオティクスの先駆けを示唆しており、現存する代謝還元カルボキシル化化学は、複雑な金属タンパク質によって媒介される進化の発明であることを意味します。

【リンク】

https://www.nature.com/articles/s41557-021-00878-w

【原文リンク】

https://www.discovermagazine.com/the-sciences/born-to-die-how-life-on-earth-may-have-started-with-a-dose-of-poison

出典: Research Circle、Discover誌

ドナ・サーカー

翻訳：アジン

この記事に掲載されている「Science Popularization China」の透かしの入った写真はすべて著作権ギャラリーからのものです。写真の転載は禁止です。