複雑さの壮大な物語: 素粒子から最初の生物まで

分子の複雑さの進化を示す芸術的レンダリング — *分子の複雑さの進行を示す図、クォーク (左下) から最初のセル (右上) まで。画像出典:astronoo.com （新しいウィンドウ）*

基本的な構成要素: クォークから原子まで

物語は、膨張する宇宙によって最初の素粒子の形成が可能になった138億年前の「ビッグバン」から始まります。強力な核力によって閉じ込められたクォークとグルーオンは、数マイクロ秒以内に陽子と中性子を生成します。

ジョージ・ガモフ(1904-1968) らは 1940 年代に、原始元素合成 (最初の 3 分以内) によって軽い原子核 \(^{1}H\)、\(^{2}H\)、\(^{3}He\)、\(^{4}He\) が生成されることを示しました。生命に不可欠な炭素 (\(^{12}C\)) のような重い原子は、実証されているように、星の中で形成されるのはずっと後のことです。フレッド・ホイル(1915-2001) 彼の有名なトリプルアルファプロセス。

注：:
ザトリプルアルファプロセス(発見者フレッド・ホイル1954 年）は、炭素12 (カーボン12): \( 3 \times ^{4}He \rightarrow ^{12}C + 7.27 \text{ MeV} \)。これは炭素の共鳴状態 (7.65 MeV のホイル状態) を必要とし、赤色巨星 (T >10) で発生します。⁸K）。

プレバイオティクス化学: 分子が結合するとき

45 億年前の原始地球では、条件が根本的に異なっていました。還元大気 (CH₄、N.H.₃、H₂おお₂）、高温、豊富なエネルギー（嵐、紫外線、火山活動）。

歴史的な経験スタンリー・ミラー(1930-2007) およびハロルド・ユーリー(1893-1981) は 1953 年に、これらの条件によって無機化合物からアミノ酸が生成できることを示しました。最近の作品としては、ジョン・サザーランド(1962-) は 2015 年に、細胞の構成要素であるヌクレオチドの合成経路を明らかにしました。RNA (リボ核酸)。

生命の出現における重要な段階

生命の出現における主要な出来事の年表
期間	イベント	温度(K)	達成された複雑さ	証拠/実験
10^-12 s	クオークの形成	>10¹⁶	素粒子	スタンダードモデル、LHC(大型ハドロン衝突型加速器)
3分	原始元素合成	10⁹	軽い原子核 (H、He)	宇宙の豊かさが観測された
2億年	最初の星の形成	10⁴-10⁷	重原子（C、O、N）	恒星分光法
4.5ガガ	地球の降着	2000-3000	差別化された惑星	同位体年代測定
4.4Ga	原始の海	373-500	水性媒体	砕屑性ジルコン
4.1～3.8Ga	プレバイオティクス合成	273-400	有機分子	ミラー・ユーリー実験、マーチソン代謝物
3.7～3.5Ga	最初のセル	273-350	自己触媒構造	ストロマトライト、炭素同位体

出典:マーティンら。 (2016) （新しいウィンドウ）、サザーランド (2015) （新しいウィンドウ）、

RNAの世界: 最初のゲノム仮説

仮説の起源

「世界へ」RNA (リボ核酸)» が独自に提案ウォルター・ギルバート(1932-)、カール・ウォーズ(1928-2012) およびレスリー・オルゴール1980 年代に RNA が遺伝情報の保存と化学反応の触媒作用の両方ができる最初の分子 (リボザイム) であると示唆しました。

2つの機能を持つ分子

「RNA ワールド」仮説は、生命の起源において、リボ核酸 (RNA) は遺伝情報の伝達者であり、反応を加速できる化学ツールでもあったと提案しています。より安定しているが「受動的」な DNA や、非常に効率的だが情報を保存できないタンパク質とは異なり、RNA はこれら 2 つの役割を果たし、最初の生命システムの出現を促進した可能性があります。

原始的な環境でのトレーニング

原始的な環境における RNA 鎖の自発的形成は単純ではありませんでした。その構成要素 (ヌクレオチド) 間の結合は水中で簡単に切れてしまいます。鉱物表面または特定のイオン（マグネシウムなど）が「触媒」の役割を果たし、レンガが結合するのを助けた可能性があります。温度変化や湿度サイクルもこれらの反応を促進した可能性があります。

リボザイム: 天然触媒

RNA は単なるデータスレッドではありません。RNA は曲げたり、リボザイムと呼ばれる化学反応を加速する構造を形成したりすることもできます。 RNA で作られたこれらの小さな「ツール」は、単一の分子が情報を含み、それを再生する働きをすることができることを示しています。

初期ゲノムの忠実度とサイズ

RNA 鎖を忠実にコピーすることは、メッセージを維持するために不可欠です。ストランドが長くなるほど、エラーのリスクが高くなります。したがって、最初のゲノムは、長く壊れやすい鎖ではなく、短いままにするか、互いに協力する小さな断片として組織化する必要がありました。

RNAの形と折り畳み

RNA は、ヘリックス、ループ、ノットなど、さまざまな形状をとります。これらの形態によってその機能が決まります。折り畳まれる方法に応じて、RNA はそれ自体をコピーするためのテンプレートとして機能したり、触媒として機能したりすることができます。温度、水分、または塩分濃度がこの折り畳みに影響します。

初期地球の良好な環境

研究者らは、原始の地球には粘土、温泉、蒸発のサイクルにさらされる湖畔など、さまざまな環境があったと想像している。これらの場所は分子を集中させ、その集合を刺激し、それ自体を維持できる小さなシステムの出現を促す可能性があります。

協力ネットワーク

生命は単一の大きな「祖先」ではなく、RNA断片のネットワークとして始まった可能性がある彼らは互いに助け合って、お互いをコピーし、反応を促進しました。これらの協力的なアンサンブルにより、孤立した分子の脆弱性を克服することが可能になったでしょう。

課題と展望

課題は依然として残っている。それは、前生物的条件下でRNAの構成要素を効率的に生成すること、RNAが実際に助けなしで自身をコピーできることを示すこと、そしてその後DNAとタンパク質がどのように引き継がれたのかを理解することである。しかし、「最初のゲノム」仮説は、化学がどのようにして生物学に変換されるかを説明するための興味深い手段であり続けています。

への移行DNA (デオキシリボ核酸)そしてタンパク質

一つの世界から次の世界への移行RNA (リボ核酸)私たちの現在の生化学へに基づいてDNA (デオキシリボ核酸)-タンパク質は依然として大きな謎の1つです。ユージン・クーニン(1956-) と彼の同僚は、2017 年にこの移行を提案しました。原始細胞間で遺伝子を伝達できる原始的なウイルスを介して発生します。

最初の細胞 (LUCA -最後の普遍的共通祖先）はおそらく38億年から35億年前のものです。彼らの代謝はおそらく次のことに基づいていました。

逆クレブスサイクル（CO固定）₂)
Hを用いた呼吸連鎖₂とCO₂
補酵素のようなものATP (アデノシン三リン酸)原生的

の系統解析ウィリアム・マーティン(1957-) は、LUCA が失われた泉と同様のアルカリ性熱水環境 (pH 9 ～ 11、50 ～ 90°C) に生息していたことを示唆しています (ロストシティ）2000年に大西洋で発見されました。

現在の課題と研究の道筋

いくつかの大きな疑問が未解決のままです。

キラリティー: なぜ生命は排他的に使用するのかAA (アミノ酸)L糖とD糖？
区画化: 最初の膜 (おそらく脂肪酸に基づく) はどのように形成され、現在のリン脂質に進化したのでしょうか?
エネルギー: 最初のエネルギー変換システムは何でしたか (ATP (アデノシン三リン酸)シンターゼ）？
情報: 遺伝暗号 (その 22AA (アミノ酸)標準）凍ってしまった？

哲学的および外生物学的な意味合い

生命の出現についてのこの理解は、次のような深い意味を持ちます。

普遍: 化学から生命が「簡単に」誕生するなら、それは宇宙でよくあることかもしれない（原理）クリスチャン・ド・デューブ (1917-2013))
不測の事態：逆に、スティーヴン・ジェイ・グールド(1941-2002) 各ステップは非常に特殊な条件に依存することを強調しました
人生の定義: 古典的な基準 (代謝、生殖、進化) はプレバイオティクスシステムによって疑問視されています
情報の出所: 情報の複雑さの増加 (0 ビットから ~10 ビットへ) を説明する方法⁹ビット大腸菌）？