生命の種は小惑星に乗って地球にやって来たのか？

数十億年前、私たちの太陽系は星間分子雲の中で合体しました。星間分子雲はガスと塵からなる温床で、それらが集まって恒星、小惑星、そして惑星、そして最終的に私たちの地球を形成しました。この宇宙のタイムラインのどこかで、生命の源となるアミノ酸が出現しました。これらの分子は連鎖して、ほぼすべての生物学的機能を担うタンパク質を形成します。しかし、これらのアミノ酸がどこから来るのかは、長年の謎です。これらの生物学的構成要素は、初期の地球の生命誕生前の環境から何らかの形で生じたのでしょうか、それとも宇宙のどこかからこれらの成分が私たちの惑星にもたらされたのでしょうか？ 

天文学者の中には、生命の起源は地球外で始まったに違いないと考える者もいる。なぜなら、隕石（太陽系が形成されたのと同じ原始的な物質でできた天体のタイムカプセル）の中にアミノ酸が発見されているからだ。（隕石とは、地球に落下した小惑星やその他の宇宙の岩石の破片のことである。）しかし、科学者たちは懸命に努力しているにもかかわらず、これらの分子がどのようにしてそこにたどり着いたのかを正確に突き止めることができていない。実験室での実験では、自然界で見られるものを再現することはできないのだ。 

NASA宇宙氷研究所の研究チームは、アミノ酸の生成場所として知られる星間分子雲と小惑星の化学反応をシミュレーションすることで、この矛盾を解明しようと試みました。謎は解明されませんでしたが、1月初旬に発表された結果は、隕石中の物質の分布を生み出す複雑な現象が起こっていることを示唆しています。 

これらのアミノ酸の起源を知ることは、宇宙の他の場所に生命が存在する可能性について何かを示唆する可能性があると、研究を率いたサウスウエスト研究所の宇宙化学者ダナ・カシム氏は述べている。もしこれらが太陽系の小惑星から来たのであれば、これらの成分は宇宙のこの領域に特有のものである可能性がある。しかし、もしこれらが私たちの親分子雲で生まれたのであれば、「この分子雲には、他の太陽系、そしておそらく他の惑星にも分配された、凍結された生命のスターターキットが本質的に存在しているということになります」とカシム氏は述べている。 

アミノ酸は簡単に作ることができます。過去の研究では、適切な条件下では、宇宙線が星間氷に照射されたときや、小惑星の内部で渦巻く化学反応によってアミノ酸が生成されることが示されています。アミノ酸の短い鎖は、星屑の上でも自然発生的に形成されることがあります。しかし、他の実験では、これらの分子がかつて地球上で生成された可能性があることが示されています。太古の深海の熱水噴出孔内、あるいは初期地球の有機分子スープに雷が落ちた際に生成された可能性があります。 

しかし、これらの分子単体、そしてそれらが形成するタンパク質でさえ、シリコンウエハー単体では生命ではない、と研究共著者でNASAゴダード宇宙飛行センターの宇宙生物学者ジェイソン・ドウォーキン氏は述べる。「シリコンウエハーは、特定の方法で構成され、電源に接続され、何かを実行できるようにするソフトウェアがエンコードされていなければ、生命とは言えません」と彼は言う。同様に、真の生命の種子は、エネルギーの生成、複製、子孫への形質の伝達といった特徴的な機能を実行できなければならない。 

したがって、プレバイオティクスアミノ酸の起源を突き止めることは、生物学のきっかけとなるプロセスを解明するための第一歩となる。しかしながら、これらの経路のうち、星屑か原始スープか、海底噴出孔か放射線照射を受けた宇宙氷か、どれが生命につながるのかを解明するのは困難だった。「アミノ酸を得ることは比較的簡単です」とドゥウォーキン氏は言う。「しかし、生物学で用いられるアミノ酸を得ることは、より謎に包まれています。」 

隕石中には100種類近くのアミノ酸が観測されていますが、生命に必須の20種類のうち、発見されているのはわずか12種類に過ぎません。生物学的アミノ酸には、その特徴を示す特徴があります。それは、すべて「左利き」の構造をしていることです。一方、非生物的プロセスでは、左利きと右利きの分子が同量生成されます。地球上で発見された隕石の中には、左利きのアミノ酸が過剰に存在するものもいくつかあるとドゥオルキン氏は言います。これは、非生物的システムでこのような不均衡が観測された唯一の例です。 

この実験で研究チームは、アミノ酸はまず星間分子雲内で生成され、その後小惑星に運ばれて地球に到達したという説を検証しました。彼らは、これらの分子が旅の各段階でさらされていたであろう環境を再現することにしました。このプロセスによって、回収された隕石に含まれるアミノ酸と同じ組成、同じ比率のアミノ酸が生成できれば、この説の検証に役立つでしょう。

研究者たちはまず、真空チャンバー内で星間雲で最も一般的に見られる分子氷（水、二酸化炭素、メタノール、アンモニア）を作り出した。次に、深宇宙における宇宙線との衝突を模倣し、高エネルギー陽子ビームを氷に照射した。氷は分解し、より大きな分子へと再集合し、最終的に肉眼で見えるベタベタした残留物、すなわちアミノ酸の塊を形成した。 

次に、研究チームは小惑星内部をシミュレートしました。小惑星内部は液体の水を含み、50℃から300℃と驚くほど高温になることがあります。研究者たちは残留物を50℃と125℃の水に、異なる時間浸しました。その結果、一部のアミノ酸のレベルは上昇しましたが、他のアミノ酸のレベルには変化がありませんでした。例えば、グリシンとセリンの量はどちらも倍増しました。アラニンの含有量は変化しませんでした。しかし、小惑星のシミュレーションにサンプルを投入する前後で、アミノ酸の相対的なレベルは一定でした。つまり、グリシンは常にセリンより多く、セリンは常にアラニンより多かったのです。

カシム氏によると、この傾向は注目に値する。星間雲内の環境が小惑星内のアミノ酸組成に強い影響を与えたことを示しているからだ。しかし、最終的に彼らの実験は、他の実験室研究で発生したのと同じ問題に直面した。アミノ酸の分布は、実際の隕石で見つかったものとは依然として一致していなかったのだ。最も顕著な違いは、実験室サンプルではαアラニンがβアラニンを上回っていたことだ（隕石では通常、この逆の現象が起こる）。生命の前駆物質を作り出すためのレシピがあるとすれば、彼らはそれをまだ見つけていない。 

それはおそらく彼らのレシピが単純すぎたためだとカシム氏は言う。「次の実験はもっと複雑にする必要があります。もっと多くの鉱物を追加し、より適切な小惑星のパラメータと条件を考慮する必要があります。」 

しかし、もう一つの可能​​性があります。比較に使用した隕石サンプルが汚染されている可能性があります。隕石が墜落した際に、地球の大気や生物圏との相互作用、そして何世紀にもわたる地質活動によって地球表面が溶解し、沈み込み、循環してきたことで、変化している可能性があります。 

これを検証する方法の一つは、手つかずのサンプルを出発点として用いることだ。今年9月、NASAのOSIRIS-RExミッションは、小惑星ベンヌの約200グラムの破片を持ち帰る予定だ（これは、私たちが最後に採取した未処理の宇宙岩石サンプルの40倍の大きさだ）。サンプルの4分の1はアミノ酸分析の対象となり、実験室での研究結果と隕石の実測値との食い違いの原因を突き止めるのに役立つだろう。また、小惑星に存在するものの、宇宙船の保護なしには地球への旅を生き延びられない、他にどのような脆い物質が存在するかを明らかにすることもできるだろう。この情報は、カシムのチームがレシピを完成させるのに役立つだろう。 

ベンヌの残りのサンプルは、50年前のアポロ計画で採取されたものと同様に、気密容器に保管され、まだ生まれていない科学者たちに、当時発明されていなかった技術を用いて小惑星を分析する機会が与えられる。「これはサンプルリターンの遺産です」と、OSIRIS-RExのプロジェクト科学者であるドウォーキン氏は語る。彼によると、宇宙の環境をシミュレートするこのような実験室実験は、これらのサンプルの解釈に不可欠だという。小惑星の化学組成に関する理解を深めることは、回収された宇宙岩石の分析に役立ち、科学者たちがどの理論が自然と最もよく一致するかを判断するのに役立つだろう。 

この問題を考える第三の視点​​もあります。もしかしたら、私たちは地球から遠く離れすぎているのかもしれません。もしかしたら、生物学を生み出す特有の条件は、宇宙ではなく、地球で起こったのかもしれません。 

ラトガース大学のバイオインフォマティクス研究者、ヤナ・ブロムバーグ氏は、生命の秘密は地質学的な記録ではなく、地球上の生物学的記録の中に見つかるだろうと考えている。「岩石は粉砕され、循環する傾向があります」と彼女は言う。「このままでは歴史を辿るのは難しいのです。」ブロムバーグ氏は、代わりに細胞エネルギーを生成するための遺伝的設計図を探している。このプロセスは、地球最初の泥から作られた古代のタンパク質によって発明され、受け継がれた可能性がある。昨年、彼女は異なる生物が使用する現代のタンパク質の核に類似性があることを示す研究を発表し、それらが同じ祖先に遡る可能性を示唆した。

しかし、惑星起源説を支持する一方で、ブロムバーグ氏は地球だけが生命を生み出したとは考えていない。「どの惑星にいても、どんな原始スープからでもアミノ酸を作ることができるのではないかと考えています」と彼女は言う。

「もしかしたら、ある場所にしか存在しなかった、特別でユニークなニッチな環境があって、そこから物質が噴き出したのかもしれません。もしそれが分かれば面白いですね」と、NASAジョンソン宇宙センターで宇宙物質を分析し、生命誕生のきっかけとなった化学反応を解明する惑星科学者アーロン・バートンは言う。彼の直感は、生物学は地球上で誕生したと告げているが、それが彼の研究の原動力ではない。「どこで始まったと思われようとも、 どのようにしてそこで始まったのか？ 私にとって、それが興味深い問いです。そして、その過程で『どこで』という問いに答えることができるでしょう。」 

生命が地球で始まったのか、宇宙で始まったのかという問いに対する答えは、おそらく「両方」でしょう。地球の場合、「宇宙は原材料の輸送以外では無関係だった」とドゥオルキンは言います。そして、その後、重要な出来事はすべて地球上で起こったのかもしれません。しかし、同じ化学反応が深宇宙でも起こっている可能性もあります。結局のところ、深宇宙でも同じ材料が使われているのですから。つまり、地上でも天空でも、生命が存在する可能性に満ちた環境が数多く存在する可能性があるということです。

更新 2023 年 2 月 21 日 12:15 ET: このストーリーは、実験室のサンプルにおいてベータアラニンアミノ酸よりもアルファアラニンアミノ酸のほうが多く含まれているという誤りを修正するために更新されました。