火山と生命の起源: 火と水が化学を生成するとき

創造的な火のパラドックス

破壊と混乱の象徴である火山は、地球上の生命の知られざる建築家である可能性があります。 私たちがよく連想する単なる破滅的なイメージとは程遠いこれらの地質巨人は、約 35 億年から 40 億年前の最初の生命形態の出現に重要な役割を果たしたと考えられます。 火と水の境界面、温度と圧力の極端な条件下で、プレバイオティクスの化学は自然の実験室を見つけ、単純な分子を生命の基本的な構成要素に変えたでしょう。

火山環境: プレバイオティクス化学のるつぼ

火山環境は、複雑な有機分子の合成に有利な条件の独特の組み合わせを提供します。 環境には主に次の 2 種類があります。

これを想像する良い方法は、火山を火山に例えることです。巨大な化学キッチン。溶けた岩は鉄板の役割を果たし、海水はスープの材料となり、鉱物はスパイスの役割を果たします。この混沌とし​​た、しかしエネルギーに富んだ混合物から、最初の分子構成要素が生まれました。

海中熱水泉

熱水噴出孔、または「ブラックスモーカー」は、海嶺の近くに位置する地熱噴出孔です。 これらの構造は、最高 400°C の温度でミネラル (硫化鉄、ニッケル、マンガン) が豊富な流体を放出します。

陸地と湖の火山プール

初期の地球の地表では、火山プール、間欠泉、温泉も適切な条件を提供していました。 これらの媒体には、有機前駆体を濃縮し、生体ポリマーの形成に不可欠な縮合反応を促進できる湿潤/乾燥サイクルという利点がありました。

アミノ酸合成

ミラー・ユーリー実験 (1953 年) は、還元性雰囲気中での放電によりアミノ酸が生成される可能性があることを実証しました。火山環境では、火山噴煙内の雷や、異なる組成の流体間の界面での電気化学的勾配など、同様の条件が発生します。

ヌクレオチドと膜の形成

多孔質の火山岩の微小区画の壁は、最初の脂質膜の形成のモデルとして機能した可能性があります。同様に、粘土や金属硫化物の鉱物表面は、ヌクレオチドの原始的な RNA への重合を触媒したと考えられます。

生命の誕生に適した火山環境比較表

出典: Russell et al. から改変(2014) 「濡れた世界と氷の世界における生命へのドライブ」および Martin et al. (2008) 「熱水噴出孔と生命の起源」。

働く化学: 単純な分子から生命の構成要素まで

初期の地球では、生命の最初の構成要素を形成するには、単純な有機分子が結合する必要がありました。このプロセスには、次の両方が必要です。サポート分子を集めて、エネルギー熱力学的障壁を克服するために。 いくつかの自然環境はこの「地質実験室」の役割を果たすことができ、それぞれがプレバイオティクス化学に有利な特定の条件を提供しています。

• 黄鉄鉱(FeS₂): 火山によって生成されるこの鉄と硫黄の鉱物は、重要な化学反応を触媒することができます。 黄鉄鉱の表面は自然の「作業面」として機能します。有機分子がそれに付着し、集まって結合して、小さなペプチドや RNA 前駆体などのより複雑な構造を形成します。 火山流体の熱や化学勾配によってもたらされるエネルギーにより、レゴのピースが所定の位置に配置されるミニチュアのワークショップに似た、これらの反応が起こります。
• 粘土（モンモリロナイトなど）: これらのミネラルは有機分子を吸着して濃縮し、ポリマーへの集合を促進します。 例えると、粘土は「組み立てトレイ」のようなもので、分子が正しい方向に向いて組み立てやすくなります。
• 方解石およびその他の炭酸塩: 方解石結晶の結晶面は、その幾何学的形状に従って分子を組織し、特定の化学反応を触媒します。 類似点: 結晶は、分子が形を整えて安定化する「天然の型」です。
• 鉄分とニッケルを豊富に含む熱水泉: ブラックスモーカーに含まれるグレイジャイト (Fe₃S₄) やアウェアライト (NiS) などのミネラルは、酸化還元反応を通じてサポートと化学エネルギーの両方を提供します。 類似点: 熱と化学勾配によって分子が調理され組み立てられる小さな「天然の化学反応器」。
• 浅い酸性の火山湖: 火山によって酸性化された水は有機分子を濃縮し、重合に必要な縮合-脱水サイクルを促進します。 類似点: 分子が段階的に加熱、濃縮、冷却されて、より複雑な構造を形成する実際の「天然炉」。

これら 5 つの例は、初期の地球がどのようにして同時に化学成分、ザ触媒担体そしてエネルギー生命の最初の構成要素の形成に必要です。 それぞれの環境は相補的な役割を果たし、初期の分子カオスを組織化された化学に変換するのに役立ち、生命の出現に向けて不可欠なステップとなりました。

実験的証拠と観察

数多くの実験室での実験により、火山環境がプレバイオティクス化学にとって潜在的な可能性があることが確認されています。例えば、研究者らは熱水噴出孔の状態を再現し、脂質ミクロスフェアの自発的形成やヌクレオチドの重合を観察した。この分野では、超好熱性古細菌（極限環境に生息する生物）の研究により、最後の普遍的共通祖先（LUCA）が高温に適応していた可能性が示唆され、生命の起源が火山であるという仮説が強化されました。

地球外生命体の探索への影響

もし火山が地球上の生命の出現に実際に重要な役割を果たしているとしたら、これは、太陽系の他の場所でも同様の環境が生命体を支えていた、あるいは支えてきた可能性があることを示唆しています。エウロパ (木星) やエンケラドゥス (土星) のような氷の衛星は、氷の地殻の下で熱水活動の兆候を示しています。同様に、火星の激しい火山活動の過去は、現在は消滅した環境で生命が誕生した可能性を高めています。

起源についてはまだ議論がある

生命がどこで誕生したかについては、科学者全員が正確に同意しているわけではありません。それは火山の近くの深海でしょうか、太陽にさらされた熱い水たまりの中で、あるいは隕石によってもたらされたのでしょうか？確かなことは、火山がこの冒険の原動力となった化学燃料の重要な部分を提供したということです。