生命の無数の部分はどのように組み合わされたのでしょうか?少なくとも、地球上の最初の生命体には、情報を保存して複製する方法が必要でした。そうして初めて、彼らは自分自身のコピーを作成し、世界中に広がることができました.
最も有力な仮説の 1 つは、すべては RNA で始まったと述べています。RNA は、遺伝子の設計図を記録し、化学反応を引き起こす分子です。 「RNA ワールド」仮説にはさまざまな形がありますが、最も伝統的なのは、生命は自己複製可能な RNA 分子の形成から始まったというものです。その子孫は、新しい化合物の作成やエネルギーの貯蔵など、一連のタスクを実行する能力を進化させました。やがて、複雑な生活が続きました。
しかし、科学者たちは、実験室で自己複製 RNA を作成することが驚くほど困難であることを発見しました。研究者はいくつかの成功を収めていますが、これまでに製造された候補分子は、特定の配列または特定の長さの RNA しか複製できません。さらに、これらの RNA 分子はそれ自体非常に複雑であり、偶然の化学的手段によってどのように形成されたのかという疑問が生じます。
ジョージア工科大学の化学者である Nick Hud と彼の共同研究者は、生物学を超えて、生命の発達における化学の役割に目を向けています。おそらく生物学が出現する前に、原始生命の前段階があり、化学プロセスだけで RNA または RNA 様分子の寄せ集めが作成されました。 「自己複製型の自立システムにたどり着くまでには、多くのステップがあったと思います」と Hud 氏は言いました。
このシナリオでは、さまざまな RNA 様分子が自発的に形成される可能性があり、化学プールが生命の出現に必要な多くの部品を同時に発明するのに役立ちます。原始生命体は原始的な分子機構を使って実験を行い、それらのパーツを共有しました。システム全体が、巨大なコミュニティ スワップ ミートのように機能しました。このシステムが確立されて初めて、自己複製 RNA が出現する可能性があります。
Hud の提案の中心にあるのは、原始生命の豊かな多様性を生み出すための化学的手段です。コンピューター シミュレーションは、特定の化学条件が RNA 様分子のさまざまなコレクションを生成できることを示しています。チームは現在、実験室で実際の分子を使ってこのアイデアをテストしています。すぐに結果を公開したいと考えています。
Hud のグループは、伝統的な RNA ワールド仮説と、化学進化ではなく生物学的進化への依存に挑戦している多くの研究者の先導役となっています。従来のモデルでは、新しい分子機構は、現代の細胞の場合と同様に、酵素として知られる生物学的触媒を使用して作成されました。 Hud の原始生命段階では、無数の RNA または RNA 様分子が純粋な化学的手段によって形成および変化する可能性があります。 「化学進化は、酵素がなくても生命の誕生を助けた可能性があります」と Hud は言いました。
Hud と彼の共同研究者は、この考えをさらに一歩進めて、今日のすべての生物に見られる唯一の生物学的機構であるリボソームが、化学のみによって出現したことを示唆しています。リボソームは生物学から生まれたと考えているこの分野の多くの人々にとって、これは型破りな考えです。
Hud のチームが、初期の地球に存在していた可能性のある条件下で原始生命体を作成できれば、化学進化が生命の起源において科学者の予想よりもはるかに重要な役割を果たした可能性があることを示唆しています。オレゴン州ポートランド州立大学の生化学者であるナイルズ・リーマンは、「ダーウィンの進化に先立つ、より単純な進化の形があったのかもしれません。」
ダーウィン以前の世界
ほとんどの人が進化について考えるとき、生物が限られた資源をめぐって互いに競争し、子孫に遺伝情報を伝えるダーウィンの進化について考えます。世代ごとに遺伝子の調整が行われ、最も成功した子孫が生き残り、自分の遺伝子を受け継いでいきます。その進化様式が今日の生活を支配しています。
現代の生命の木を私たちに与えた著名な生物学者であるカール・ウーズは、ダーウィン時代の前に、非常に異なる進化の力によって支配された生命の初期段階があったと信じていました。 Woese は、個々の細胞が生命に必要なすべてのものを自発的に生み出すことはほとんど不可能だと考えていました。そこで彼は、共同体の存在に関与する分子の豊かな多様性を想像しました。原始細胞は互いに競合するのではなく、発明した分子革新を共有しました。一緒に、ダーウィン以前のプールは、複雑な生命に必要な構成要素を作成し、今日私たちが見ている壮大な動物園の出現のために初期の地球を準備しました.
Hud のモデルは Woese のダーウィン以前のビジョンをさらに遡り、原始細胞が必要とする分子の多様性を生み出すための化学的手段を提供します。原始生命体の 1 つは、自分自身をよりよくするために必要な構成要素を作る方法を開発した可能性があり、別の原始生命体は、エネルギーを収集する方法を発見した可能性があります。このモデルは、生物学的進化ではなく化学的進化に依存しているという点で、従来の RNA 世界仮説とは異なります。
RNA ワールドによると、最初の RNA 分子は、RNA で作られたリボザイムと呼ばれる組み込み酵素を使用して自己複製しました。 Hud の原始生命の世界では、そのタスクは純粋に化学的な手段によって達成されます。物語は、RNA 様分子の化学スープから始まります。短い鎖は自然に形成される可能性が高いため、これらのほとんどは短いものでしたが、いくつかのより長く、より複雑な分子も一緒になった可能性があります. Hud のモデルは、より長い分子が酵素の助けなしにどのように複製されたかを説明しています。
プレバイオティクスの世界に関するハドのビジョンでは、原始的な RNA スープは、濃厚で粘性のある溶液の中で定期的に加熱と冷却のサイクルを経ていました。熱が結合した RNA のペアを分離し、粘性溶液が分離した分子をしばらくの間離したままにしました。その間、わずか数文字の長さの小さな RNA セグメントがそれぞれの長い鎖にくっついた。小さなセグメントは最終的に一緒に縫い合わされ、元の長い鎖と一致する新しい RNA 鎖が形成されました。その後、サイクルが再び始まりました。
時間が経つにつれて、さまざまな RNA 様分子のプールが蓄積され、そのうちのいくつかは代謝などの単純な機能が可能になります。そしてまさにそのように、純粋な化学反応が、ウーズのダーウィン以前の原始生命の宝庫を生み出すのに必要な分子の多様性を生み出したでしょう。
Hud のチームは、実験室で複製プロセスの第 1 段階を実行することができましたが、生物学的ツールに頼らずに短いセグメントを接着することはまだできていません。そのハードルを乗り越えることができれば、出現した RNA を複製する多目的な方法を作成したことになります。
しかし、一部の科学者は、化学的に媒介された複製が、ハドが説明するダーウィン以前の世界を生み出すのに十分に機能する可能性があることに懐疑的です.オンタリオ州ハミルトンにあるマクマスター大学の生物物理学者で、生命の起源を研究しているポール・ヒッグス氏は、次のように述べています。 「配列を伝えるには、十分に正確かつ迅速でなければなりません」 — つまり、新しい RNA を分解するよりも速く、テンプレート分子のほぼコピーを作成するのに十分な忠実度で生成する必要があります。
Quanta Magazine の David Kaplan、Petr Stepanek、Ryan Griffin。音楽はカイ・エンゲルです。
理論ビデオ: デビッド・カプランは、地球上の生命の起源に関する有力な理論を探ります。
化学変化だけでは、生命の出現を引き起こすには十分ではありませんでした。原始生命のプールも、有用な分子が成功して増殖することを確認するために、ある種の選択が必要だったでしょう。彼らのモデルでは、Hud のチームは、非常に単純なプロト酵素が、作成者とより大きなコミュニティに役立つ何かを行った場合に広まった可能性があると提案しています。たとえば、自身のビルディング ブロックをより多く作成した RNA 分子は、複製のための追加の原材料を提供することで、自身とその隣人に利益をもたらします。 Hud のチームが行ったコンピューター シミュレーションでは、このタイプの分子は実際に根付いていました。 「何か有用なシーケンスが発生した場合は、プールで強化できます」と Hud 氏は述べています。
リボソーム根
ダーウィン以前の世界を垣間見ることができるのは、私たちの遺伝暗号の中心にある古代の分子機構であるリボソームです。これは、遺伝情報をコード化する RNA をタンパク質に変換する酵素であり、細胞内で多くの化学反応を実行します。
リボソームのコアは RNA でできています。この特徴がリボソームをユニークなものにしています — 私たちの細胞内の酵素の大部分はタンパク質から作られています.リボソーム コアと遺伝暗号の両方がすべての生物間で共有されており、生命の進化の非常に早い段階、おそらくダーウィンの限界を超える前に存在していたことを示唆しています。
Hud と彼の共同研究者で同じくジョージア工科大学の Loren Williams は、リボソームが化学的に支配された世界を支えていると指摘している。昨年発表された論文で、彼らは物議を醸すリボソームのコアが化学進化によって作成されたという提案を行いました.彼らはまた、それが最初の自己複製 RNA 分子の前に生じたことを示唆した。おそらく、リボソームのコアは、化学進化の成功した実験であると彼らは言った.そして、それがダーウィン以前のスープに根付いた後、ダーウィンの限界を超え、すべての生命の不可欠な部分になりました.
彼らの議論は、より正式にはペプチジルトランスフェラーゼセンター (PTC) として知られているリボソームコアの相対的な単純さに集中しています。 PTC の仕事は、タンパク質のビルディング ブロックであるアミノ酸をまとめることです。リーマンが言うように、「派手な化学的トリック」を使用して化学反応を加速する従来の酵素とは異なり、それはほとんど脱水剤のように機能します.水分子を取り除くだけで、2つのアミノ酸が結合するようになります.リーマン氏は、「反応を引き起こすには、一種の貧弱な方法だ」と述べた。 「タンパク質酵素は通常、より強力な化学戦略に依存しています。」
リーマンは、人生の初期の段階では、シンプルさが力に先行する可能性が高いと指摘しています。 「生命の起源について考えるとき、まず単純な化学について考えなければなりません。単純な化学のプロセスは、おそらく古代のものになるでしょう」と彼は言いました。 「それは、すべての生命の間で [共有] されているという事実よりも強力な証拠だと思います。」
強力な証拠にもかかわらず、リボソームのコアが化学進化によってどのように作成されたのかを想像することはまだ困難です. RNAワールド仮説のレプリケーターRNAのように、自分自身をより多く作る酵素は、フィードバックループを自動的に作成し、自身の生産を継続的に高めます.対照的に、リボソーム コアはそれ以上のリボソーム コアを生成しません。アミノ酸のランダムな鎖を生成します。このプロセスがどのようにしてより多くのリボソームの産生を促進するのかは不明です. 「なぜランダムなペプチドを作ると、それが良くなるのですか?」ヒッグスは言った。
Hud と彼の共同研究者は、RNA とタンパク質は並行して進化し、一緒に働く方法を見つけたものが最もよく生き残ったと提案している。この考えは、情報をコード化し、化学反応を触媒することができる単一の分子を仮定する RNA の世界の単純さに欠けています。しかし、Hud は、生命の出現において優雅さが優先される可能性があることを示唆しています。 「1 つのポリマーは 2 つよりも単純であるという、単純さと呼ばれるものが強調されすぎていると思います」と彼は言いました。 「2 つのポリマーが一緒に働くと、特定の反応が起こりやすくなるかもしれません。ポリマーが最初から一緒に働く方が簡単かもしれません。」
