私は、生命の起源の探求を、個人研究のテーマにしています。

人間も動物も植物も、地球上のあらゆる生物は細胞から構成されています。そして、元々は１つの単独の細胞だけで生きている単細胞生物が、遺伝子のメカニズムを利用して進化し、多様化したのが現在の生態系の姿です。

では、この単細胞生物が、どうやって生み出されたのか。その謎を探る事が、生命の起源の探求です。

この記事では、まず、私の個人研究のスタンスと、私が前提としている化学進化説の概要から説明します。

そして、化学進化で細胞が成立するための２つのポイントとして、自己強化型のフィードバックループ、および、動的な多様性の確保について説明します。

この２つがポイントになると私が考える理由は、DNAを持った細胞が誕生する以前にも、化学的に進化が行われるためには、DNAなしでの再生産および変異のような作用が必要になるためです。

自己強化型のフィードバックループが構成されることで、DNAなしでの再生産が実現できます。また、DNAの変異に頼らず、動的な多様性を確保するメカニズムが必要になるはずです。

この記事ではその後、自己強化型のフィードバックループの形成および動的な多様性を確保するメカニズムが、地球の水の循環を利用しているという仮説について説明します。

これまでも、私は地球の水の循環が生命の起源で大きな役割を果たしているという仮説を立てていましたが、今までは液体としての水の流れだけに着目していました。ただし、それだけではフィードバックループの形成が上手く行かないという課題にも気がついていました。

この記事では、気体としての水の循環、つまり海で蒸発した水が雲になって陸に雨を降らせる過程も、生命の起源において重要な役割を持っているという新しい仮説を提示します。これにより、フィードバックループの形成の課題がクリアできます。それに加えて、動的な多様性を確保する意味でも、気体としての水の循環は大きな効果をもたらすことにも気がつきました。

前置きが長くなってしまいましたが、以下、詳しく説明していきます。

■私の個人研究の視点

一般に、生命の起源の探求は、具体的な細胞を構成しているDNAや細胞膜などを始めとする部品が化学的にどのようにできるのか、という観点で研究されていることが多いようです。私は化学や生物の専門家ではないため、そうした具体的な研究はできません。

一方で、細胞はシステムであり、また、細胞の誕生に至るまでのメカニズムも、１つのシステムです。このため、システム工学の知見から、システムとしてどのように細胞が成り立ち、その細胞を生み出すシステムはどのような状況であれば成立し得るか、ということを分析することは可能だと考えています。

もちろん、具体的な化学物質の組合せや、それによる細胞構成部品の具体的な組成や構造のレベルでの分析はできないため、抽象的な構造やメカニズムのレベルでの探求が、私の個人研究のフィールドになります。

■化学進化

一般に、宇宙から最初の生命が飛来したと考えるか、地球上で無生物である化学物質から生命が生み出されたと考えるかの２派がありますが、化学進化説は後者に属します。

地球にまだ生命がいなかった頃、地球上にはただ化学物質がありました。

雷や、鉱物の表面、海底の熱泉などで、エネルギーを受けて、無機的な化学物質から、有機的な化学物質が生み出されることは可能でした。

有機的な化学物質、すなわち有機物は、生命を構成する素材です。しかし、前述の手段で生み出せる有機物は、非常にシンプルなものであり、生命の最小単位である細胞が出来上がるためには、それこそ何十万倍も複雑な有機物群が必要です。

このため、シンプルな有機物から複雑な細胞が自然に出来上がるためには、有機物が時間と共に進化していくことを想定する必要があります。これを化学進化と呼びます。

■化学進化が主に進行した場所

化学進化は、エネルギーを受けて、無機物や有機物同士が結合したり、相互作用をし合ったりする工程の積み重ねで進行していきます。

化学進化は主に池や湖などの水中で進行したと考えられます。池や湖に化学進化の材料になる無機物や有機物が集積することで、より高い頻度で化学反応が起きることが期待できます。

また、陸上や空中に比べて、化学物質が入り混じる機会も多くなります。加えて、一部の無機物や有機物は電離してイオン化したり、酸性やアルカリ性の性質を持つことができ、より多様な化学反応が起きることを期待できます。

また、そもそも生物の生命活動にとって水が不可欠であるという点からも、化学進化は主に水中で進行したと考えることは合理的です。

■化学進化のポイント１：自己強化型のフィードバックループ

化学進化が着実に進行するためには、自己強化を伴うフィールドバックループが形成されることが重要です。偶発的に新しい有機物が少数できたとしても、それが再生産されないのであれば、その有機物はやがて壊れて、進化には貢献しません。

例えば、新しい有機物Ａが生成された時に、その影響で有機物の合成が活発化すれば、有機物Ａが再度合成される可能性が高くなります。このようなフィードバックは、自己強化的な性質を持っていると言えます。

自己強化的な性質を持ったフィードバックループが形成されれば、新しく生成された有機物は、その後も継続して生成され続けることが期待できます。

細胞を構成する部品や細胞そのものの複雑さを考えると、このようなフィードバックループが、無数に形成されていく必要があります。

基礎的でシンプルな有機物のフィードバックループの形成から始まり、それを足場にして、少し複雑な有機物のフィードバックループが形成され、さらにその上で、同様の事が繰り返されていくイメージです。

■化学進化のポイント２：動的な多様性の確保

化学進化を信じると、単純な有機物から、細胞を生成するほど高度で複雑な有機物の集合体が、自動的に形成されたという事になります。そこでは、非常に多くの有機物の組合せのパターンを試すことが必要になります。

また、単に適した組み合わせができるだけでなく、それが先ほど挙げたフィードバックループを形成する必要があります。同じ有機物ができたとしても、その時の周囲の環境によってはフィードバックループを形成できないものであれば、その有機物はたまたま一度生成されただけで、消滅してしまいます。

また、同じ物質が同じ濃度で含まれている水の中では、化学進化が起きたとしても、直ぐに飽和して進化が止まってしまいます。この飽和を打破するためには、定期的に水の中に新しい種類の物質が流入してくることが必要です。

これらの事を考えると、化学進化には多様な有機物の組合せが試されるような環境が必須です。かつ、一定の安定した環境の中だけで進化が進行したのではなく、時間と共に様々に環境が変化することも必要です。その意味で、動的な多様性が常に確保できるような仕組みが必要だと考えられます。

■化学進化を後押しするメカニズム１：液体の水の循環

一つの水場の中だけでは、化学進化は途中で飽和して止まってしまいます。異なる環境の水場同士で、有機物が時々交換されることで、化学進化の飽和状態が崩れ、進化の歩みが止まらずに進むことができます。

複数の水場の間での有機物の交換の典型は、川の流れです。上流の池から、下流の池、そして最終的には海に流れ込むことで、有機物が水場間を移動します。これにより、動的な多様性が確保され、次々と新しい組み合わせの有機物が合成されます。

しかし、その場合、自己強化的なフィードバックループは形成されません。川は上流から下流に流れるだけです。下流でできた有機物が、上流の池に影響を与えることはありません。

川の水が逆流するポロロッカのような現象や、潮の満ち引きなどで、液体の水の流れもループのような動きをする場合もありますが、非常に限定的な場所でしか発生しません。

従って、有機物のやり取りが液体の水の流れだけだったとすると、新しく生成された有機物が有用であっても、その生成が強化されることは難しいと言わざるを得ません。このため、進化の階段を上っていくことは難しくなります。

■化学進化を後押しするメカニズム２：気体の水の循環

そこで、液体の水の流れだけでなく、気体の水、つまり水蒸気や雲の流れにも着目することで、この問題を解決できます。

下流の水場で生成された軽い有機物が空気中に漂い、水の蒸発に乗って雲となり、風に流され、そして雨となって上流の池に流れ込んだと考えれば、フィードバックループは形成可能です。

実際、現在の雲の中には無数のバクテリアが含まれていることがわかっています。生命の誕生以前にはバクテリアもいないため、その頃の雲には有機物が多数含まれていたと考えることができるでしょう。

海の水が暖められて蒸発する時、その水蒸気の中には無機物や有機物が溶け込んだまま、というわけにはいきません。しかし、無機物や有機物の中には、空気中を漂うことができるものは多くあります。実際、細胞であるバクテリアも空気中を漂うことができるため、その部品でありより小さな有機物の多くが空気中を移動できることは確かでしょう。

水蒸気の上昇気流や風の流れに乗って、雲の中に入り込み、雲に乗って陸に向かい、そこで雨となって水と一緒に地上に注がれたという流れが想像できるでしょう。

■雲の中で

無機物から有機物が生成できることが確認された有名な実験に、ミラーの実験というものがあります。これはアミノ酸の材料になる無機物が入った実験装置の中で、何度も電流を流すことで、アミノ酸が生成されるという実験です。

これはまさに、雲の中で雷によって有機物が合成可能だった可能性を示しています。加えて、基本的な有機物が生成された以降も、より複雑に合成された有機物が、雲を媒体として海から陸にフィードバックしていたと考えると、池や湖の中だけでなく、雲の中でも化学進化は進行していた可能性もあります。

■有機物の移動パターン

池や水の中の有機物同士が入り混じる時、３つのパターンがあります。

１つ目は、有機物を含んだ水が全体的に入り混じるパターンです。

例えば雨で増水したことで、近くにあった池と池がつながった場合、それぞれの池の中の有機物が全て混ざり合う事になります。このパターンを、私はコンジャンクションと呼んでいます。

２つ目は、選択的に一部の有機物が他方の水の中に移動するパターンです。

これは、川の流れに代表されます。通常、池や湖の中では比重の軽い有機物が上澄みに溜まっており、比重が重い有機物は水中を漂っているか、下の方に沈殿しています。その池や水たまりから、川を伝って外に移動する有機物は、比重の軽いものがメインになるでしょう。このように一部の有機物だけが選択的に移動するパターンを、私はコミュニケーションと呼んでいます。

３つ目は、選択的でありつつ、広く多方面に拡散するパターンです。

これは、揮発した有機物が、風に乗って周囲に拡散されたり、雲に乗って遠くまで移動したりするパターンです。ある程度風向きや移動できる距離などに制約は出ますが、それでも川の流れる範囲に比べれば、圧倒的に広範囲に移動することができます。このパターンを、ブロードキャストと呼ぶことにしようと思います。

■化学進化におけるネットワーク効果

コンジャンクション、コミュニケーション、ブロードキャストといった形で有機物が移動する事で、地球上のそれぞれの水場で化学進化が飽和してもまた新しい有機物が入り込んできて、それが刺激となってまた化学進化が進行したと考えることができます。

特に、コンジャンクションやコミュニケーションだけでは、やり取りできる池や水たまりの範囲が限定的になります。一方で、ブロードキャストによる移動が行われたと考えると、有機物の移動範囲と、新しい組み合わせの可能性が、爆発的に増加します。

ネットワーク効果という概念があります。SNSのように、ネットワークに参加するプレイヤーが増加すると、その交流の効果が単純に足し算ではなく掛け算や指数関数的に膨らんでいくという、一般的な法則です。

A、B、Cという３人だけでやり取りしていると、AB, AC, BCの３パターンの関係しかありませんが、そこにDが加わると、AD, BD, CDの３パターンが増えて全部で６パターンに増幅されます。さらにEが加われば10パターンに増え、Fが加わると15パターンに増えます。このように、参加するプレーヤーが増えると、プレーヤー間の関係の数が加速度的に増えることで、ネットワーク効果を生み出します。

化学進化におけるブロードキャストも、まさにこのネットワーク効果を引き起こします。

地球上にある無数の池や湖、そして海の間で、ブロードキャストを含めた水の循環による有機物の移動が絶え間なく起きていたことは間違いないでしょう。その組み合わせはまさに数えきれないほど無数にあったでしょう。

これにより、有機物同士の新しい組み合わせの機会が増加し、より確実に強化型のフィードバックループを見つけられるようになったと考えられそうです。

■化学進化の全体像：地球全体で細胞を作る過程

私は、このような形で、地球全体の地形と、液体の水と気体の水の両方の循環を使って、化学進化は進行したと考えています。これによって、ポイントとして挙げていた動的な多様性が実現できるためです。

また、その中で、もう一つのポイントとして挙げていた自己強化的なフィードバックループが形成されたと考えられます。特に、水の液体での循環に加えて、気体での循環も有機物の移動に使えた可能性が高いことは、このフィードバックループの形成のために大きな意味を持ちます。

こうして、動的な多様性が絶えずもたらされる地球環境の中で、自己強化的なフィードバックループが徐々に形成されていくことで、一歩一歩、化学進化が進行していったと考えられます。まさに母なる星である地球全体を使って、生命が誕生するプロセスが少しずつ進行したというイメージになります。

このプロセスの膨大な積み重ねによって、複雑な有機物が形成されていったのだと私は考えています。

その過程で、糖が生成されてエネルギーの蓄積と利用ができるようになります。さらに、脂質が生成されてそこにもエネルギーが蓄積されると共に、有機物のスープをカプセル化できる膜も登場したのでしょう。

さらに、アミノ酸からたんぱく質が形成され、核酸からRNAが形成され、それらが何らかの形で自己の保持や、自己修復的な機能を獲得していったのだと思います。自己保持や自己修復機能の高度化により、やがて自己複製ができるDNAの原型が出来上がっていったと考えられます。

このように化学進化により、有機物が高度に進化していき、細胞の材料が揃っていき、最終的に膜の中に必要なものが全てパッケージされることで、細胞が誕生したというストーリーが描けます。

■さいごに

この記事では、これらの具体的な細胞内組織の原型がどのような順序で形成されたかについては触れていません。そうした研究はまさに専門家の方々がずっと取り組んでいる研究課題です。

その代わりに、化学進化に必要な多様性やフィードバックをどのようなメカニズムで確保できるのかについて、私の仮説を概説しました。

私がこの仮説を気に入っている点は、少しずつフィードバックループを形成して足場を固めながら化学進化が進行したと考えると、最初の細胞が登場した時に、周囲の環境や地球環境そのものが、細胞が生存しやすい状態になっていたと言えるという事です。

宇宙から細胞が飛来したり、偶発的に一瞬で物質が複雑に組み上がって細胞が登場したりという考えだと、最初の登場は奇跡的に起きたとしても、その後に細胞が生き延びることができた理由の説明が難しいのです。

もちろん、実際の太古の地球環境をこの目で観察することはできませんから、どんな仮説を立てても、それはあくまで仮説止まりとなります。

しかし、現在分かっている知見や洞察を組み合わせることで、より蓋然性の高いメカニズムを説明してくことは可能です。私は、そうした狙いで、生命の起源における外形的なメカニズムに焦点を当てて探求を行っています。

＜ご参考１＞
以下のマガジンに、生命の起源の探求をテーマにした私の個人研究の記事をまとめています。

＜ご参考２＞
生命の起源の探求の個人研究の初期段階の内容は、以下のプレプリント論文にまとめています。

■日本語版

OSF Preprints | 生命の起源の探求に向けた一戦略：生態系システムの本質的構造を基軸とした思考フレームワークの提案

■英語版

OSF Preprints | A Strategy for Exploring the Origins of Life: A Proposal for a Framework Based on the Essential Structure of Ecological Systems