天文学者のチームは今年、親星の周りのいわゆるゴルディロックス ゾーンを周回する 8 つ以上の惑星を発見したと発表しました。そのうちの 2 つは、ケプラー 438b とケプラー 442b と呼ばれ、現在存在が知られている 1,900 ほどの太陽系外惑星 (太陽系外の惑星) の中で、これまでに見られた中で最も地球に似た候補です。
「地球に似ている」とは、惑星が液体の水を運ぶ可能性が高いことを意味しています。 「水をたどる」は、宇宙の他の場所で生命の兆候を探している宇宙生物学者のマントラになっています。太陽系外惑星の大気から反射された光に含まれる水の特徴的な指紋を検出する新しい機能により、一部の天文学者は、生命が存在する世界をすぐに発見したいと考えています。
しかし、液体の水は生命にとって本当に必要なのでしょうか?
であるという信念には長い歴史があります。 1913年、ハーバード大学の生化学者ローレンス・ヘンダーソンは、生物が適応によって環境に「適合」するという、ダーウィン進化論の興味深い逆転を提案しました。ヘンダーソンの著書 The Fitness of the Environment 宇宙環境自体がホスト生命に特異的に「適合」していると主張した.
ヘンダーソンは、特に水は生命の溶媒として独自に設計されているかのように、「生体中心」の属性を豊富に備えているように見えると指摘しました。それが地球上で液体であるという事実は、思っているよりも珍しいことです。他の単純な水素化物分子 - メタン、硫化水素、アンモニア、塩化水素 - はすべて室温と圧力で気体ですが、「酸素水素化物」H2 ではありません O. 水分子を結合する余分な粘着性があるようです.
また、水は熱容量が大きい (温度をあまり上げずに大量の熱を吸収できる) ため、海流は大量の太陽熱を再分配し、惑星の状態をより均一で安定させるのに役立ちます。さらに、ほとんどの液体は凍ると収縮して密度が高くなりますが、氷は膨張して浮きます。その結果、池は底から固く凍ることはなく、解凍がほとんど不可能になります。代わりに、凍った蓋が下の水を断熱します。
また、水はさまざまな物質を溶解するため、必須栄養素や要素を必要とする生物に運ぶのに役立ちます.イオン (荷電した原子と分子) をホストする水の並外れた能力がなければ、光合成や神経インパルスは発生しません。水の大きな表面張力により、毛細管現象によって樹液が遠くまで上昇し、植物が高く立つことができます。などなど。
これは非常に不可解でした。 環境 体力をつける？結局のところ、惑星の化学成分 (水、岩石、空気) は、ダーウィンの適応度を達成するための重要な属性である突然変異や複製を行いません。しかし、水のこれらの重要な属性のいくつかは以前に注目されていました. 19 世紀半ば、英国の学者数人がブリッジウォーター伯爵から、「天地創造において明らかにされた神の力、知恵、善意」を示す一連の本を執筆するよう依頼されました。科学の発見、自然神学と呼ばれる目的で明らかにされました。 1834 年に出版されたこれらのブリッジウォーター論文の 1 つで、英国の化学者ウィリアム・プラウトは、液体の水の凝固点近くでの膨張は、この神の摂理の一例であると主張しました。
ヘンダーソンは神に譲歩する準備ができていませんでしたが、水の明らかな「適性」について別の説明を見つけるのは容易ではなかったことを認めました。彼が言えることは、「現在の仮説や法則からこれらの偶然の一致を説明できるという希望の根拠はほとんどない」ということだけでした。それらが理解されることがあるとすれば、「研究が物質の性質の謎をはるかに深く掘り下げた将来になるだろう」と彼は言った。
ヘンダーソン以来の約 1 世紀にわたる研究で、私たちが知っている水と生命の間の互換性は、想像以上に驚くべき複雑なものであることが明らかになりました。しかし、この関係が特に排他的ではないことも示されています。生命と水の奇妙な調和は、ダーウィンの進化によって可能になった驚くべき適応性のもう 1 つの例にすぎない可能性があります。
現代の見方では、水は生命の生体分子がドラマを演じる受動的な背景とはほど遠いものです。代わりに、積極的な参加者です。水素結合と呼ばれる、水分子間の弱い化学結合の繊細な網が、それらを液体のタペストリーに織り込む方法でそれらの生体分子の周りにドレープされています。これにより、生体分子の溶質とその溶媒が相互に反応するダンスで結合されます。生化学反応を触媒する仕事をするために、タンパク質はかなり柔軟で、正しい経路に沿って反応を導くように形を変える必要があります.しかし、これらの形状変化は周囲の水の殻も再形成し、水の揺れや変動がタンパク質にダイナミズムを「注入」します.
このような相互作用は驚くほど微妙です。たとえば、ドイツのルール大学ボーフムとイスラエルのワイツマン科学研究所の研究者は、タンパク質が変換の準備としてその標的分子 (基質と呼ばれる) に結合すると、水分子が結合部位の近くにあることを発見しました。基板を所定の位置に保持するために厚くなるかのように、減速するように見えます。そして、エネルギーとエントロピーの微妙な増減があり、水素結合の量の変化と、水分子が動き回る自由に関連しており、精巧に調整された高度に選択的な生化学的プロセスの数を決定し、駆動することができます.
これらには、酵素とその標的分子または基質との結合が含まれます。これは、基質のためのスペースを作るために水が隅々から排出されるときです。新しく作られたタンパク質鎖が酵素のコンパクトな形状に折り畳まれること。マルチパートの生体分子機構へのタンパク質のアセンブリ。脂肪脂質分子の細胞膜への集合。これらの各プロセスは、水に浸すと、分子の撥水 (疎水性) 部分間に引力が何らかの形で誘導されるという事実から恩恵を受けます。
水分子はしばしば、タンパク質の表面に取り付けられたスナップオン ツールのように機能し、それによって酵素の範囲を広げ、小分子の結合または輸送を助けます。また、酵素のチャネルを通る水分子の鎖は、水素イオンを伝導できる「陽子線」として機能し、細胞が水素原子を新しい場所または新しい分子に移動させたり、水素イオン濃度の勾配を構築および放出したりできるようにします。水車が丘の中腹に水の流れを汲み上げるのと同じように、水を汲み上げてエネルギーを生成します。 DNA の二重らせんの間を縫う水分子の網の小さな変化が、分子の曲がりやすさや、タンパク質がそれに付着して遺伝子の活動をオンまたはオフにする方法に影響を与える可能性があります。
これらすべては、生命における水の役割が、ヘンダーソンが理解できたよりもさらに複雑で包括的であることを示しています。しかし、そのどれだけが水に特有のものであり、生命はそのような能力にどの程度依存しているのでしょうか?疎水性引力などの水の役割のいくつかは、他の溶媒に類似しています。溶解した分子が溶媒に対してあまり親和性を持たない場合、それが何であれ、それらはくっつく傾向があります.また、水線内の水素イオンの伝導は、たとえば、地球上の生命にとって非常に重要ですが、地球外の生化学で水素イオンが不可欠であると判断されるかどうかは明らかではありません.
この質問を投げかけるもう 1 つの方法は、次のように尋ねることです。水が 少ない 場合はどうでしょう 水のようで、普通の液体のようですか？北アイルランドのクイーンズ大学ベルファスト校の化学物理学者 Ruth Lynden-Bell とニュージャージー州のプリンストン大学の Pablo Debenedetti は、「反事実の水」のモデルを調査しました。水素結合配列で、ダイヤルを回すように連続してチューニングできます。水の異常な性質が失われる前に、どの程度の調整が許可されますか?
水の最も単純な理論モデルの 1 つは、水素結合を純粋に静電的なものとして扱います。わずかに正に帯電した水素原子と、隣接する分子の酸素原子上の負に帯電した「孤立電子対」電子との間の引力であり、これらの電荷は四面体の角で移動します。分子の特定の幾何学的配置を決定するこの引力は、ファン デル ワールスまたは分散力と呼ばれる電子雲のだらしのなさのために、すべての原子と分子が互いに感じるより一般的な引力の上に作用します。液体アルゴンや二酸化炭素などの単純な液体では、分子が離れて蒸気になるのを防いでいるのはファン デル ワールス力だけです。
Lynden-Bell と Debenedetti は、静電水素結合 (四面体秩序を促進する) とファン デル ワールス引力 (すべての方向で同じ) の相対的な強さを自由に変えることができる水のコンピューター モデルを考案しました。非公式に、彼らはこの架空のものを「水ではない」と呼びました。彼らが発見したのは、水のような異常は実際には程度の問題ではないということでした。むしろ、水素結合に由来する秩序と、単純な球体のファン デル ワールス引力に由来する種類は、それらが砲弾のように詰め込まれる方法のおかげで、別個のものであり、互換性がありません。これらの 2 つの極値の間では、両方の世界の最悪の状態になります。分子は、どちらの極値よりも秩序がありません。言い換えれば、水は、分子同士がぶつかり合っているだけの水素結合を持たない液体とは質的に異なります。しかし、水素結合を作る分子は水だけではありません。アンモニアや塩化水素でさえ水素結合を作ることができます。違いは、水分子は互いにくっつく四面体パターンのために広大な三次元ネットワークを形成できるのに対し、他の水素結合剤は鎖を管理することしかできないことです.三次元の水素結合ネットワークは、凍った水が液体の水よりも密度が低い理由であり、アンモニアと塩化水素には当てはまりません.水がユニークである場合は 1 点を獲得してください。
しかし、幾何学はどうですか？曲がる角度を変えたら H2 O分子の水素結合がほぼ四面体にならないように、または結合を長くすると、水の固有の特性が失われるのでしょうか?リンデンベルとデベネデッティは、「水以外」でこれを試みたところ、変化が大きすぎない限り、氷点前の最大液体密度などの異常をまだ得ることができることを発見しました。水の分子があまり鋭角に曲がっていないこと。 「[幾何学的] パラメータにはかなりの自由度があります」と Lynden-Bell 氏は言います。特定の特性が消失する前に許容される変動の正確な程度は、「どの水の特性を見ているかによって異なります」と Debenedetti は言います。
水の水素結合構造は、それが運ぶ溶質の疎水性引力を説明するためにしばしば引き合いに出されます。しかし、水素結合の強さと結合角が異なる「非水」を調べた後、Lynden-Bell、Debenedetti、および彼らの同僚は、疎水性粒子が水にほとんど溶けない (そして凝集する傾向がある) 主な理由は次のとおりであると結論付けました。水分子は非常に小さいため、粒子のためのスペースを「すくい取る」には多くのエネルギーが必要であり、水素結合自体が原因ではありません。したがって、小さな分子を含むほとんどすべての液体は、似たような結果を示すはずです。
結局のところ、水はいくつかの点でユニークですが、他の点ではそうではありません。特別ではありますが、それではないのです。 特別な。さらに、その独自の特性のすべてが生命を助けるわけではありません。いくつかは完全な障害です。一つには、それは非常に反応的です。酸素原子上の孤立電子対は、正電荷を持つ分子の部分に引き寄せられ、そこで既存の結合を破壊し、加水分解と呼ばれるプロセスで分子を断片化または再構成する可能性があります.ペプチド結合 (タンパク質鎖のアミノ酸を結合する結合) の炭素原子は、この種の攻撃を受けやすく、加水分解によって水にタンパク質を分解する傾向を与えます。水は、セルロースやデンプンなどの生物学的多糖類化合物のような糖分子の鎖に対して同じことを行う可能性があります.
応用分子進化財団の著名な研究員である化学者のスティーブン・ベナーは、「これは、水による損傷を修復する酵素を持っている生物系では、今日ではそれほど問題ではありません.しかし、原生生物分子が酵素の助けを借りずに水中で形成され、存続しなければならなかったとき、それは生命の起源にとって重要であると彼は言います. 「もし水が神によって完璧な生物溶媒になるように設計されたのなら、彼女は確かに悪い仕事をした」とベナーは言う.
彼は、アンモニア、ホルムアミド (CHONH2 )、または土星の衛星タイタンにあるような液体炭化水素も、さまざまな種類の生化学をサポートするべきではありません。結局のところ、実験室や産業界における有機化学の多くは、非水溶媒 (つまり、水以外の溶媒) で行われています。これは、水が反応しすぎることがよくあるためです。 Benner は、タイタンの炭化水素の海が疎水性の生物をホストしている可能性があるという考えに特に関心を持っています。彼と彼の同僚は最近、「遺伝子ポリマー」を構築できるかどうかを確認するための実験を行いました。これは、DNA や RNA が行うように、分子構成ブロックのシーケンスで情報をエンコードする可能性があるものであり、そのような液体で機能する可能性があります。
彼らは、骨格に沿って炭素原子と酸素原子が交互に配置されたポリエーテルと呼ばれる鎖状の分子が、液体プロパン (C
しかし、タイタンはそれよりもはるかに寒いです。その炭化水素の海は、主にメタン (CH4) で構成されています。 ) とエタン (C2 H6 )、華氏マイナス 288 度 (摂氏マイナス 178 度) 前後の温度を持っています。このような極端な極寒では、ポリエーテルはほとんど溶解しません。 Benner は、したがって、タイタンの液体メタンは「単純に冷たすぎて、私たちが生命に価値を置く特性を生み出すのに必要なほとんどすべての溶解度をサポートできない」と結論付けています。しかし、それは炭化水素が悪い溶媒であり、水が良い溶媒であるからではなく、液体の水はより温かく、物質はより温かい液体の方がよく溶けるからだと彼は言います. 「惑星火星の軌道距離とほぼ同じ太陽の周りのハビタブル ゾーンの温度を持つ、より暖かいタイタンは、プロパン、ブタン、さらにはペンタンを含む炭化水素の海を持つでしょう」と彼は言います。これらの溶媒は、実際にかなりの量の材料を溶解できる温度で液体のままになります.
Benner が提唱するもう 1 つの有望な水の代替物はホルムアミドです。ホルムアミドは、一酸化炭素とアンモニア、またはシアン化水素と水から形成されます。これらはすべて、星間環境や地球外環境で見られる単純な分子です。 「ホルムアミドは、その溶解力 (おそらくそれ以上) と液体範囲 (はるかに大きい) という点で水に非常によく似ています」と Benner は言います。華氏411度（摂氏210度）で沸騰します。また、水と同じようにポリマーをバラバラにする傾向はありません。 Bennerらは最近、触媒として作用するホウ素含有鉱物の存在下で、ホルムアミド中のアデノシン分子にリン酸化学基を付加して、RNAの基本構成要素の1つであるリン酸アデノシンを生成できることを示した。 DNA。対照的に、水はアデノシンリン酸を分解する傾向があり、より硬くします。 核酸を構築します。
水以外の溶媒が、宇宙の他の場所にある他の生命にも同じように役立つというのが本当なら、ここ地球上の水と生命の密接な組み合わせは、適応が生命にもたらす極度の日和見主義を反映しているのかもしれません。陸生生物は、この奇妙な液体が提供するすべてのものを最大限に活用します。宇宙生物学における水の重要性を過大評価していると同時に、地球生物学における水が果たす役割の重要性と繊細さを過小評価しているのは皮肉なことです.
確かに、私たちが地球上で見つけたまさにその適応性は、水を正弦条件に引き上げる前に一時停止する必要があります。 人生の。石油が形成される地球の高温で加圧された深部の岩の割れ目や、地下の南極湖の氷の中に生物が住んでいます。微生物はアタカマ砂漠の焼けた乾燥した土壌で生き残り、コミュニティ全体が深海で熱水を噴出する火山性熱水噴出孔の周りで繁栄しています。生物は非常に塩分の多い水で生き残ることができ、高濃度の有毒な重金属や、宇宙空間の高度な電離放射線への曝露にも耐えることができます.少なくともいくらかの水なしで代謝を維持できる既知の生物はありませんが、微生物は重水の中での生活に適応できます。これらすべてを考えると、ダーウィンの進化論が動き出すと、ほとんどすべての状況に足を踏み入れることができると信じたくなる.
リンデンベルは、あらゆる種類の環境で生命を維持する方法を見つける自然選択の能力を過小評価すべきではないことに同意します. 「個人的には、進化は発見した環境を利用できると信じており、別のシナリオを想像することは可能だと思います」と彼女は言います。生命は、自分に合うように環境を変えることもできます。バンクーバーにあるブリティッシュ コロンビア大学の Colin Goldblatt は、寒くて湿った世界だけが現在の視点から居住可能に見える世界であるが、居住可能ゾーンが正確にどこにあるかは、大気中に何があるかによって決まると指摘している。地球上では、二酸化炭素 (生命によって部分的に維持されている) は、私たちの惑星のほとんどを氷点以上に保ちます。言い換えれば、「居住性は居住性に依存します」と彼は言います。別の言い方をすれば、水の世界がすでに生命を維持しているかどうかを知らずに、生命を維持できるかどうかを簡単に判断することはできません.
次に、その適応性に、それをホストできる惑星の数を掛けます。現在の統計から判断すると、私たちの銀河系のほぼすべての星には、平均して少なくとも 1 つの惑星があり、太陽に似た星の 5 つに 1 つが、ハビタブル ゾーンに地球に似た惑星を持つ可能性があります。これにより、天の川だけでこれらの世界が少なくとも 110 億あり、観測可能な宇宙には少なくとも 1,000 億の銀河があります。
この写真で、水が唯一の解決策であると本当に主張できますか?
フィリップ・ボールはの著者です Invisible:The Dangerous Allure of the Unseen および科学と芸術に関する多くの書籍。
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