調査船アトランティスに乗船したのは真夜中近くでした。船は出航したコスタリカの西約千マイルにあり、東太平洋の熱水噴出孔の上空に浮かんでいました。ラトガース大学の微生物学者であるコスタンティーノ・ベトリアーニは、私から数フィート離れた暗い制御室に座っていたが、時間にもかかわらずエネルギーを放射していた.彼は眼鏡越しに数十台のモニターをじっと見つめ、ときどき剃毛した頭に手をかざした。底にある遠隔操作の潜水艇からのライブビデオフィードでは、1マイル下の岩の塔から350℃を超える灼熱の温度の厚い黒い煙が渦巻いているのを見ました.それは驚くべき光景でした。水中の柱が、地球の暗い腸から溜め込まれたエネルギーの嵐を放出しました。 「RNA:The Other Nucleic Acid」と書かれた T シャツを着たトリムのイタリア人である Vetriani は、生の力を観察し、彼の暗い目を輝かせました。 「ブラックスモーカーは地獄への窓です」と彼はニヤリと言いました.
実際、ブラックスモーカーは地球上の生命の爆発への窓かもしれません. Vetriani は、通気孔の中や周囲のすべての表面に敷き詰められている微生物を研究するために通気孔にやってきた科学者チームの一員です。以前、船の図書室で、ウッズ ホール海洋研究所の微生物生態学者で主任科学者のステファン シーベルトが、1 か月にわたる遠征の目標を概説していました。彼は、微生物が地獄のような通気孔でどのように生き残るかを理解することを説明しました。通気孔の液体を生きたバイオマスに変える速度 - 生物学的生命がどのように進化したかについての洞察を与える可能性があります。海底での作業は 1 日 24 時間行われ、海が荒れすぎて ROV を安全に展開できないときの時折の中断を除いて、私はタグを付けて記録管理を手伝っていました。
真夜中過ぎ、ヴェトリアーニと私がブラックスモーカーを受け入れたとき、彼は熱水噴出孔が「遺物環境であり、地球の初期の状態に似ていると信じている」と説明しました。私たちが最終的に行っているのは、地球上で生命がどのように進化したかを理解しようとすることです。」アトランティス号に乗船したことで、今日の通気孔に生息する原始の微生物についてだけでなく、有機生命体が海の深さで最初に発生した可能性についても学ぶことができました。海の底で岩と水が出会う時代を超越した場所で、鉱物の煙突から噴出する濃くて熱い流体を見ていると、まるで生命の誕生の地を直接見ているようでした.
1977 年に潜水艇アルビン号で地質学者がダイビング中に熱水噴出孔を初めて発見して以来、多くの科学者は、これらの深海のるつぼが生命のゆりかごを表している可能性があると信じてきました。問題はまだ解決には程遠い.しかし、ベント流体と周囲の水は、炭素、水素、酸素、窒素、硫黄など、生命に必要な必須元素を集めます。科学者たちは、この可燃性の混合物が、最初の細胞で生命を吹き込むようにかき混ぜられた、RNA などの複雑な分子の前駆体を生み出した可能性があると考えています。
深海の噴出孔の存在のヒントは、1976 年のガラパゴス諸島付近の探検から得られました。海底近くで曳航された機器は、冷たい背景の海水よりもわずかに暖かい液体のプルームを検出しました。翌年、地質学者は潜水艇を持って戻ってきて、彼らが予測していた海底の温泉を発見しました。また、全く予想外の生き物の群れも発見しました:二枚貝、巨大なミミズ、ピンク色の魚、脱走する白身のカニなどです。
当時の深海は生物学的な砂漠であると考えられていたため、通気孔の遠征に生物学者が必要になるとは誰も予想していませんでした。しかし、地質学者のジャック・コーリスは、通気口への最初のダイビング中にアルビンにしゃがみ込んでいたが、すぐにそれらが生命の起源の可能性のある場所であると考えました。また、熱水システムは、初期の地球にはおそらく豊富に存在し、若い頃は高温でした。通気口からの最も初期の微生物サンプルのいくつかを研究した微生物学者のジョン・バロスと大学院生のサラ・ホフマンと協力して、コーリスは 1980 年に仮説を発表しました。そして最終的には、そのような分子が膜に閉じ込められて生きた細胞を形成する可能性があります。 Baross は、通気孔を「真に原始的と呼べる唯一の現代の地質環境」と表現しました。
極端な温度、圧力、およびその他の特性のすべてについて、深海の通気孔は、初期の地球の暴力的な世界に比較的快適な避難所を提供した可能性があります.私たちの若い惑星は、保護用のオゾン層がまだ発達していなかったため、太陽からのはるかに強い紫外線を浴びていました。光合成の進化的発明が大気中に安定した酸素を送り込むまで、それは実現しませんでした.
そして、表面での課題は日焼けだけではありませんでした。地球科学者は、生命が誕生したちょうどその頃、40 億年弱前に、私たちの惑星は宇宙の岩石による激しい爆撃に耐えたと考えています。カーネギー科学研究所の宇宙生物学者であり、The Story of Earth の著者である Robert Hazen は、次のように述べています。 、惑星の形成と初期の生命について説明します。 「しかし、これらの熱水システムが発生する場所では、そのようなトラブルから隔離されていました。」
しかし、最も重要なのは、通気孔がエネルギーであふれていることです。それらから発生する流体は、海底の亀裂や亀裂に沈む冷たい海水として始まります。地殻では、マグマが水を加熱し、溶解したミネラルやガス (水素や硫化水素など) を溶岩から拾い上げてから海に放出します。今日、通気孔にいる微生物は、これらの流体の化学エネルギーを使用して、食物連鎖の基礎を形成する糖やその他のエネルギー豊富な分子を作ります。
「人生にはエネルギーが必要です」とシーベルトは、暗い制御室での朝と夜のシフトの合間に、船の船首で明るくそよ風が吹く午後に言いました。 「そして、熱水システムで利用できるものはたくさんあります。ですから、ここから始めるのが良いでしょう。初期の生物がそのエネルギー源で繁栄したことは容易に想像できます。」
生物学的生命が噴出孔で始まったという仮説は、新しい種類の熱水噴出孔の発見によって後押しされました。 1991 年、現在 NASA のジェット推進研究所にいる地球化学者のマイケル ラッセルは、ユーゴスラビアのマグネシウムに富む鉱物鉱床が、液体がアルカリ性である噴出孔で形成されたことを示唆したと述べました。 .
当時、ラッセルが提案したようなアルカリベントは誰も見たことがありませんでした。そして2000年、ワシントン大学の海洋地質学者デボラ・ケリーらは、大西洋の海底に沿って走る海嶺を訪れました。彼らは毎日アルビンでダイビングをし、毎晩カメラを牽引していました。ある夜、誰かがカメラ フィードで奇妙な白い塔に気づきました。ケリーは 2 日後にその場所に飛び込み、彼女がロスト シティと名付けたものを初めて間近で見ました。
ロストシティの通気孔は、海水と、地殻内の鉄とマグネシウムが豊富な岩石のミネラルとの化学反応によって形成されます。その反応が熱エネルギーを生み出します。ラッセルが予測したように、海底から上昇するアルカリ性のベント流体も生成します。これらの流体が海に流れ込むと、溶存二酸化炭素が石灰岩構造に変わり、そこに生命の始まりがあった可能性があります。
生命の起源を研究する科学者たちは、失われた都市の温泉の性質についてさらに学び、元気を取り戻しました。大きな魅力の 1 つは、通気孔の流体と海水の間にイオン勾配が存在することです。これは、知られているほぼすべての生命体の重要な要素です。アルカリ性液体は塩基性で、pH (酸性度とアルカリ度のレベルの測定値) は約 10 または 11 で、プロトンの濃度が低いことを意味します。 pH が約 8 の海水は、アルカリ性が低く、つまり、わずかに酸性が強いため、ベント流体よりも多くの陽子を持っています。
この地球化学が科学者の注目を集めたのは、イオン勾配 (ある場所から別の場所へのイオン濃度の差) が生物の普遍的な特性の 1 つであり、細胞がエネルギーを得る方法の基本的な部分であるためです。それは、幼い頃の醸造所になり得る条件を提供します。
ユニバーシティ カレッジ ロンドンの生化学者であり、Life Ascending<の著者である Nick Lane は、次のように述べています。 /i> 、生命の起源と進化について。一般的なパターンは、ほとんどの自由生活微生物と同様に、私たち自身の細胞に電力を供給する細胞内発電機であるミトコンドリアにも当てはまります。
このシステムは、水力発電ダムのように機能するとレーン氏は説明します。タンパク質の形をした生物学的ポンプは、大量の陽子を膜の片側に移動させます。次に、プロトンは、タービンとして機能する別のタンパク質を介して膜を横切って逆流することができます。タービンは、細胞の活動に力を与える生化学的エネルギーを運ぶ分子である ATP (アデノシン三リン酸) を生成します。
特定のタンパク質と膜は、生命の形態によって大きく異なります。しかし、陽子勾配は、これまでに研究されたほぼすべての生命体に存在します。一部の研究者は、その普遍性を、生命が生まれた環境にそのような勾配が存在したに違いないという状況証拠と見なしています。デュッセルドルフ大学の進化生物学者であるビル・マーティン氏は、「生命が始まった環境におけるこれらの勾配の地球化学的原因を指摘できない限り、これらすべての生物がなぜこの特徴を共有しているのかを説明することは非常に困難です」と述べています。 「そしたら、あのアルカリ性熱水噴出孔が本当によく見えるようになりました。」
では、失われた都市やアトランティスの真下の太平洋に点在する熱水噴出孔のような熱水噴出孔で、どのようにして生命が誕生したのでしょうか?可能性のあるシナリオの 1 つは、二酸化炭素と水素などの単純な化合物間の反応が通気口で発生し、有機分子が生成され、有機分子がますます複雑になったというものです。
本質的に、ベントは天然の熱水反応器として機能していたでしょう。たとえば、通気口にあるミネラルによって触媒される二酸化炭素と水素の間の反応は、ピルビン酸として知られる分子を形成する可能性があります。ピルビン酸は多くのアミノ酸の前駆体であり、それらが結合してタンパク質を作ることができます.二酸化炭素と水素はホルムアルデヒドを形成することもあり、ホルムアルデヒドはそれ自体と反応して、RNA の構成要素である糖であるリボースを形成します。通気口で発見されたシアン化水素は、それ自体と反応して塩基として知られる環状構造を形成することができます。これは別の RNA 成分です。リボース、塩基、およびリン酸基 (通気口にもあります) が結合して、ヌクレオチドと呼ばれる分子を形成します。いくつかのヌクレオチドをつなぎ合わせると、RNA の鎖ができます。ベント構造内の細孔は膜の役割を果たし、RNA やアミノ酸などの有機分子を小さな空間に集中させた可能性があります。
最終的に、RNA は自己複製を開始します。これは、自然淘汰によって支配されるプロセスです。おそらく40億年ほど前のどこかで、通気孔に生息する若い原始生命体は、おそらくRNAにいくつかの化学的調整を加えることによって、DNAを獲得していたでしょう。 (酸素原子を除去すると、リボースがデオキシリボースに変換され、メチル基を追加すると、DNA と RNA で異なる単一の塩基が切り替わります)。そこから、生命体はそれ自体のために膜を組み立て、ATP の形でエネルギーを生成するために使用できる独自のイオン勾配を生成する必要があります。その時点で、最初のセルと見なすことができます。
アトランティスに乗って、通気口からのサンプルのバッチが表面を破り、ベトリアーニは、クレーンが甲板に荷物を降ろした後、降りてきた科学者の群れに加わりました.彼は海水で満たされた箱に手を伸ばし、PVCとメッシュで作られたバクテリアサンプリングシリンダーと一緒に、底から集められた黄鉄鉱で光っている黒い煙突を引き出しました.それから彼は船の研究室に急いで行き、そこで彼と彼の協力者はサンプルの処理を始めました.
Vetriani と Sievert が回収した微生物の多くは イプシロンプロテオバクテリア であることが判明しました 、地球上の他の環境ではなく、ベントで支配する傾向がある生物のグループ.ペアは、これらのバグの一部が酸素を許容せず、通気口に豊富に存在する硫黄を使用して「呼吸」できる代謝経路を使用することを発見しました。 「この硫黄代謝経路は、コア祖先経路であった可能性があります」と Vetriani 氏は述べています。これは、初期の地球に存在したと考えられている原材料のみに依存しており、入手できなかったと考えられている原材料を避けているからです。
これらの太古の微生物の分析は、生命の起源についてどのような具体的な証拠を提供しましたか?ベトリアーニは、答えを出すのは気が進まないと言いました。生命のゆりかごに関する研究は、本質的にはまだ始まったばかりです。 「数十年前、私たちは生命がこのような高温で生き残ることができることさえ知りませんでした」とベトリアーニは言いました. 「生命の起源とは、最初の細胞が組み立てられる前に発生した可能性のある非生物的プロセスに戻ることを意味します。これらのベント生物を研究して、初期の代謝経路が何であるかを理解することで、私たちはできる限り近づいています.彼らは、数十億年前に地球上に住んでいたかもしれない生物に私たちが持っている最も近いものかもしれません.肝心なのは、火口は火山活動に支配された環境であり、光合成が進化する前の地球の環境に似ている可能性があるということです。酸素がなければ、おそらく火山環境で、初期の生物が発生した可能性があると考えています。」
船上では、モニターが張り巡らされた寒いコントロールルームで朝から晩まで、どんなサンプルがどこで採取されたのかを記録しながら、海底の巨大な煙突が老朽化するのを待ちましたが、 1か月後、それは決してしませんでした。アトランティスに乗って、または陸上の研究所で何が起こっても、生命の起源についての確実性は常に手の届かないところにある可能性があることを私は痛感しています.しかし今では、探検家が何度もこの場所に引き寄せられ、そのたびに私たち自身の始まりに少しでも近づくことを望んでいることを理解しています.
Jennifer Barone は、Scholastic’s のシニア アソシエイト エディターです サイエンス ワールド、10 代向けの雑誌。以前は の編集者でした。 発見する。 Twitter:@jen_barone
追加資料
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http://www.whoi.eduによるリード写真。 黒人の喫煙者は、ミネラルを含んだ高温の液体を吐き出します。右側の容器は、熱水と存在する微生物のサンプルを収集します。
この記事は、もともと 2014 年 9 月の「ビッグバン」号に掲載されたものです。
