地球上のあらゆる動物、植物、菌類、バクテリア、ウイルスの遺伝的らせんをらせん階段のように下降できるほど小さく縮むことができれば、常に右に曲がり、決して左に曲がらないことに気付くでしょう。これは、説明が必要な普遍的な特性です。
化学者と生物学者は、既知のすべての生物がこの構造を好む理由を明確に理解していません。 「キラル」分子は、右利きの手袋と左利きの手袋が一致するように、互いに鏡像をなす対の形で存在します。基本的にすべての既知の化学反応は、両方の混合物を生成します。原則として、左巻きのヌクレオチドブリックから作られた DNA または RNA 鎖は、右巻きのブリックから作られたものと同じように機能するはずです (ただし、左と右のサブユニットを組み合わせたキメラは、おそらくそれほどうまくいかないでしょう)。
しかし、今日の生活では、化学で利用可能な 2 つのレゴ セットのうちの 1 つしか使用していません。多くの研究者は、この選択はランダムであると考えています。これらの右利きの遺伝子鎖がたまたま最初に出現したか、わずかに多い数で出現しただけです。しかし、1 世紀以上にわたって、生物学の生来の利き手にもっと深い根があるのかどうかについて考えてきた人もいます.
「これは、地球上の生命と宇宙との間のつながりの 1 つです」と、生命の分子の非対称性を認識した最初の科学者の 1 人であるルイ パスツールは、1860 年に書いています。
現在、2 人の物理学者が、自然の DNA の不変のねじれを基本粒子の挙動と関連付けることによって、パスツールの本能を検証した可能性があります。 5 月に The Astrophysical Journal Letters に登場した理論 、生命が現在の利き手をどのように獲得したかのすべてのステップを説明しているわけではありませんが、地球のDNAとRNAの形状は偶然ではないと主張しています.私たちのスパイラルはすべて、宇宙線からの予期せぬ影響にまでさかのぼる可能性があります.
ハーバード大学の天文学者であり、同大学の生命の起源イニシアチブの責任者であるディミタール・サセロフ氏は、この研究は「私たちが考えていなかった新しいキラル剤を指摘している」と述べた.彼は研究には関与していない. 「とても良さそうです。」
宇宙線は深宇宙からの弾丸であり、原子の破片が私たちの頭に絶え間なく降り注いでいます。これらの暴力的な天体は、ニューヨーク大学の高エネルギー天体物理学者であり、フラットアイアン研究所の計算天体物理学センターである Noémie Globus の長年の採石場です。 (クォンタ マガジン . 、そこで彼女は天体物理学者の仲間でスタンフォード大学研究所の元所長であるロジャー・ブランドフォードに会いました。
彼らは、宇宙線シャワーが DNA 鎖のように利き手を持っているという事実から出発しました。通常、物理的な事象は左と右に分かれる頻度と同じくらい頻繁に壊れますが、宇宙線シャワーの粒子の一部は、自然のまれな例外の 1 つを利用します。宇宙線の高エネルギー陽子が大気に衝突すると、パイ中間子と呼ばれる粒子が生成され、パイ中間子の急速な崩壊は弱い力によって支配されます。これは既知のミラー非対称性を持つ唯一の基本的な力です。パイ中間子が大気に激突すると、電子とその兄弟であるミューオンを含む粒子のシャワーが生成されます。それらはすべて、経路に対して同じカイラル磁気配向を持つ弱い力によって装備されています。 Globus 氏によると、粒子は大気中を通り抜けるときに跳ね返りますが、全体として、地面に激突したときに好ましいキラリティーを維持する傾向があります。
地球の最初の生物は、おそらく遺伝物質のむき出しの理髪店に過ぎなかったが、おそらく 2 つの種類があったと研究者は推測している。彼女とブランドフォードが「生きた」分子と名付けた (キラル命名規則は分野によって異なる) ものもあれば、鏡像反転した鎖、つまり「邪悪な」生命を持つものもあった。一連のおもちゃのモデルを使って、研究者たちは、バイアスされた宇宙線粒子が、理論的に突然変異を引き起こすイベントである「邪悪な」ヘリックスからよりも、「生きている」ヘリックスから電子をノックアウトする可能性が非常にわずかに高いと計算しました。
その影響はごくわずかです。イベントのエネルギーに応じて、「ライブ」ストランドに 1 つの追加の自由電子を生成するために、数十億回とは言わないまでも数百万回の宇宙線衝突が必要になる可能性があります。しかし、これらの電子が生物の遺伝暗号の文字を変更した場合、それらの微調整が追加された可能性があります.おそらく 100 万年以上にわたって、宇宙線が私たちの最古の祖先の進化を加速させ、「邪悪な」ライバルを打ち負かした可能性があると Globus は示唆しています。 「突然変異がなければ、進化しません」と彼女は言いました。
研究者の次の課題は、実際の粒子の利き手が実際にモデルに見られる迅速な突然変異を引き起こすことができるかどうかを確認することです。彼らが研究を発表した後、Globus は、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の生物学者兼エンジニアである David Deamer に助けを求めました。彼女のアイデアに感銘を受けた彼は、彼が思いつく最も簡単な生物学的テストを提案しました。エイムズ テストとして知られる市販のアッセイで、細菌のコロニーを化学物質にさらして、その物質が突然変異を引き起こすかどうかを調べます。しかし、化学物質を評価する代わりに、研究者はキラル電子またはミューオンのビームで微生物を焙煎することを計画しています.
粒子の利き手が実際に微生物を突然変異させることができるという証拠は、宇宙線が私たちの祖先を進化の出発点から押しのけたという彼らの主張を強化するでしょうが、それでも地球上の生命の均一なキラリティーを完全に説明することはできません.この理論は、たとえば、「生きている」生物と「邪悪な」生物が、右利きと左利きの両方の構成要素を含む原始的なスムージーからどのように具体化したかについては触れていません.
NASAゴダード宇宙飛行センターの上級宇宙生物学者であり、生命の起源に関するシモンズ共同研究の調査員であるジェイソン・ドウォーキンは、「これは非常に難しいステップです。しかし、もしこの理論が別のメカニズムを提供できるなら、別のダーウィンの圧力、それは興味深いでしょう。」
遺伝的進化が明らかになる前でさえ、別の未知のプロセスが「悪」の生命に不利な影響を与えているようです。タンパク質を形成する単純なアミノ酸分子は、生命に好まれる「生きている」配置とそうでない「邪悪な」配置でも存在します (ただし、「生きている」アミノ酸に好まれるキラリティーはほぼ例外なく左手系です)。 Dworkinらによる隕石の慎重な分析は、特定の「生きている」アミノ酸が「悪」のものを20％以上上回っていることを発見しました。余分な分子は、円偏光に何十億年もさらされた幸運な生存者である可能性があります。これは、すべてが同じ方向に渦巻くビームの集まりであり、実験で示されているように、あるタイプのアミノ酸を他のタイプよりもわずかに完全に破壊することができます.
しかし、宇宙線と同じように、光線にもわずかな影響しかありません。顕著な不均衡を残すには、数え切れないほどの相互作用が必要になるため、他の力も働いている可能性があります.光だけで過剰を説明するには、光は信じられないほど膨大な量の分子を粉砕しなければならないだろう、と Dworkin は言う。
Sasselov は Globus と Blandford に、宇宙線が偏光と力を合わせて小惑星のアミノ酸を形成する可能性があるかどうかを検討するよう勧めました。地球上では、顕著なカイラルの違いを生み出すために必要な宇宙線 (彼は超音速の弾丸になぞらえる) の線量は、致死的すぎると判明するかもしれない、と彼は推測した。 「あなたはすべての多くを破壊しています」と彼は言いました。 「[正しい] 利き手は残されているかもしれませんが、本質的には自分の足を撃っていることになります。」
最終的に、キラリティーの上昇と生物学的物質の破壊とのバランスをとる理論を見つけるのに研究者が苦労しているという事実は、私たちの祖先がその微妙な境界線を見つけることができたのは幸運だったかもしれないことを示唆しています.
「地球のような惑星には、この種の化学物質を保護する特別な何かがあります」とサセロフは言いました。
訂正:2020 年 7 月 1 日
この話は、パイ中間子が最初の宇宙線にあるのではなく、宇宙線と大気との衝突によって生成されることを明確にするために修正されました.
