生命の起源に関する一考察（７）

雄博会干住病院　松田源治

Ⅳ－ｅ地球上における原始有機化合物の非生物的形成

前節において述べた如く，地球外天体および星間空間における有機化合物の存在が分光学的検索，電波望遠鏡を用いる検索，隕石の研究あるいは月がらの試料の分析などによって確認されたことにより，生命の起源に至る有機化合物が非生物的に形成されたであろうことは容易に推測できる。それでは地球上に最初に出現した原始有機化合物特に原始高分子有機化合物は，何処で，どのようにして，非生物的に形成されたのであろうか。例えば，無機化合物から有機化合物を経て，生命の起源に至る化学進化の全過程が地球上において進行したとする考え方がある。これに対して，私は無機化合物から有機化合物を経て，牛命の起源に至る化学進化は，地球外天体の内部と地球表面の２筒所において進行したと考えている。すなわち，地球外天体において，無機化合物から有機化合物への化学進化がある程度進行し，そして，それらの有機化合物を含有した地球外天体またはその一部が地球表面に飛来し，地球表面の梅洋中において，生命の起源に至る化学進化が完成したというのである。そこで，一応前者を一元的化学進化とし，後者を二元的化学進化と称することにして，以下に，この２種類の化学進化に分けて述べてみたい。

１）一元的化学進化
1923年，オパーリン（A. L. Oparin）は原始大気中に含まれるメタン（ＣＨ_４），アンモニア（ＮＨ_３），水素（Ｈ_２）などから無生物的にアミノ酸などの有機化合物が形成され，更にそれより最初の生命体の出現に至ったであろうことを推測した。その後，ホールデン（J. B. S. Halden）その他の人々によって，同様な仮説が提出された。そして，これらの仮説の前提となったことは，原始地球の大気は現在の地球の大気と異なり，極度の還元状態にあったということである。現在の如く，地球大気が大量の酸素を含有していると，その酸素が他の化合物から水素原子を奪い，複雑な有機化合物は形成され難いからである。
その後，1953年，ミラー（Stanley L. Miller）とユーリー（Harold C. Urey）はオパーリン等の仮説に基づいて次の実験を行った。すなわち，フラスコ中に水素（Ｈ_２），メタン（ＣＨ_４），アンモニア（ＮＨ_３）および水蒸気（Ｈ_２０）を入れて，密閉し，数日間あるいはそれ以上，放電を行った後，その内容物の分析を行ったところ，アミノ酸，有機酸その他の有機化合物が認められた。放電を行ったのは原始地球上における稲妻を想定したものである。このミラー等の実験において，有機化合物特にアミノ酸が認められたことは，多くの研究者達によって注目されることとなり，同様の実験が各地において行われた。それらの実験結果，原始地球上における種々のアミノ酸形成のシナリオは次の如く考えられている。
原始地球上において，先ずシアン化水素（ＨＣＮ），アンモニア（ＮＨ_３），種々のアルデヒドその他の簡単な化合物が出現し，これらのアルデヒドが更にアンモニア（ＮＨ_３）やシアン化水素（ＨＣＮ）と反応して，種々のアミノニトリルを形成し，更に，これらの生成物が水と反応して種々のアミノ酸とアンモニアになる。ミラー等の放電実験において形成されたアミノ酸の中ではグリシンの収量が最も多かった。次にそのグリシン形成の反応式を示す。

　　　Ｈ－ＣＨＯ＋ＮＨ_３＋ＨＣＮ　　→　　ＮＨ_２－ＣＨ_２－ＣＮ＋Ｈ_２０
ホルムアルデヒドアンモニアシアン化水素　　アミノアセトニトリル水

　　　ＮＨ_２－ＣＨ_２－ＣＮ＋２Ｈ_２０　→　　ＮＨ２－ＣＨ２－ＣＯＯＨ＋ＮＨ３
　　アミノアセトニトリル　　　水　　　　　　クリシアンモニア

生命の起源に至る最初の高分子有機化合物は酵素機能を有する蛋白質であったと信じている人達も多い。そこで，上記のアミノ酸が相互に結合して，高分子であるポリペプチドあるいは蛋白質を形成するためには，これらのアミノ酸が高濃度に集積されなければならない。バーナル（J. D. Bernal）はアミノ酸が粘土粒子の表面に吸着され，濃縮されて，ポリペブチド様あるいは蛋白質様物質が形成されたであろうとしている。また，赤掘（S. Akabori）等は粘土粒子の代りにカオリン，ベントナイトあるいはシリカゲルを考えた。
更に，赤掘は1956年，原始地球表面におけるポリペブチドあるいは蛋白質の生成機構に関する仮説を提出した。その赤掘の仮説は次の如くである。すなわち，原始ポリペブチドまたは蛋白質はそれらの構成成分であるアミノ酸の縮合によって形成されたものではなく，先ず，アミノアセトニトリルが重合して，ポリイミジンとなり，これが加水分解して，ポリグリシンを形成した。そして，このポリグリシンのメチレン基に種々のアミノ酸側鎖が導入されて，ポリペプチドあるいは蛋白質が形成されたというものである。この赤掘の仮説は大変興味深いものであり，私も赤堀の仮説と同様に，原始ポリペプチドまたは蛋白質の生成に際して，先ずポリグリシンが形成され，それに種々のアミノ酸側鎖が導入されたものと思っている。ただ，最初のアミノアセトニトリルの形成から最後のポリグリシンヘのアミノ酸側鎖の導入に至る全ての反応が地球表面の海水中において進行したとすることには無埋があるように思われる。
他方，生命の起源に際して，完ず核酸が出現したと信じている人達も多い。1961年，オロー（Juan Oro）は原始地球上における想定実験において，シアン化水素（ＨＣＮ）およびアンモニア（ＮＨ_３）を用いて，核酸を構成する塩基であるアデニンの形成を認めた。更に，シアン化水素，アンモニアに加えて，ジシアン（Ｃ_２Ｎ_２）およびシアノアセチレン（ＨＣ_３Ｎ）を用いて，核酸を構成する他の塩基をも形成することができた。そして，これらの事実に基づいて，1960年代の後半，ウーズ（Carl R. Woese），クリック（Francis Crick）あるいはオーゲル（Leslie E. Orgel）等は，それぞれ，独立に地球上の最初の生物の出現に際して，先ずリポ核酸（ＲＮＡ）が出現し，このＲＮＡがその生物の生存に必要な反応を行い，それより現在の生物へ進化してきたと推測した。この生命の起源に至るＲＮＡを中心にする仮説は，その後，ＲＮＡワールド説と呼ばれている。
1983年，チェック（Thomas R. Cech）とアルトマン（Sidney Altman）はそれぞれ独立して，ＲＮＡが，既に存在するＲＮＡを切断したり，連結したりする酵素機能を有することを初めて認めた。これまでは酵素機能を有するのは蛋白質に限ると思われていたので，彼等は初めて酵素作用を有する蛋白質以外の高分子有機化合物を認めたことになる。このＲＮＡは現在りポザイム（ribozyme）と呼ばれている。このリポザイムの発見によって，ＲＮＡワールド説は大きく支持されることとなった。しかし，このＲＮＡワールド説においては，このＲＮＡの有していた酵素機能が，何故，どのようにして，蛋白質の方に移ってきたのかということの説明はなされていないように思われる。
それでは原始地球上における原始有機化合物の生成のためのエネルギーは，どのようにして得られたのであろうか。考えられるエネルギー源としては，紫外線，火花放電（雷，コロナ放電），宇宙線，放射線あるいは火山の噴火が考えられる。それらの中でも紫外線が最も多いようである。ミラー等は彼等の想定実験において，原始有機化合物の形成のためのエネルギーは主として火花放電によって得られたものとして放電実験を行った。また，隕石落下の衝撃による熱エネルギーを重要視する報告もある。このことに関連して，大島（Ｔ．Ｏｈｓｈｉｍａ）は生命の熱水起源説を出している。すなわち，原始地球においては，隕石や彗星の衝突が頻繁におこり，火山活動も非常に活発であり，絶えず雷が鳴り響き，さらに大量の紫外線と宇宙線が降りそそぎ，地球表面の海は，まさに熱湯地獄の状況であったと椎測し，そのような環境のドにおいて，最初の生命体を構成した種々の有機化合物が形成されたとしている。

２）二元的化学進化
前述のオパーリンやホールデンその他の人々の生命の起源に関する仮説あるいはミラー等に始まる多くの想定実験は原始地球の大気は極度の還元状態にあったであろうことを前提としている。勿論，原始地球の大気が現在の地球大気よりも還元状態に傾いていたことは確かであるが，極度の還元状態にあったであろうか。最近，原始地球の大気はそれ程強い還元状態ではなかったとする説も出始めている。前にも述べた如く，私は生命の起源に至る無機化合物から原始有機化合物の形成課程を含む化学進化は地球外天体の内部と地球表面の海水中の２筒所において進行したとする二元的化学進化を考えている。この地球外天体のうちで私が最も注目しているのは白色矮星である。以下に私の仮説を中心にして述べることにする。
恒星の内部においては，その重力（万有引力）に対してエネルギー均衡を保つために，先ず水素の核融合反応が進行する。そして，水素を主成分とする恒星の内部にヘリウムが蓄積して，それらのヘリウムの量がその恒星全体の10分の１位までに達すると，その恒星に変化がおこる。いわゆる恒星の赤色巨星への進化である。そして，その星の半径は著しく増大し，もとの半径の50倍にもなるといわれている。そして，この赤色巨星の内部においては，ヘリウムという新しい核燃料による核融合反応が進行して，重力（万有引力）とガス圧との間に新しいエネルギー均衡関係が成立する。この新しい核融合反応によって，先ず炭素（Ｃ）次いで窒素（Ｎ）さらに酸素（Ｏ）と，新しい元素が相次いで生成される。
この赤色巨星のその後の運命はその星の質量の大ささによって大きく異なる。例えばチャンドラセカセール質量以上の星の場合は中心部の圧力と温度は更に上昇し，酸素より重い新しい元素が次々と生成され，最後には超新星爆発をおこして崩壊する。他方，チャンドラセカール質量以下の赤色巨星はやがて白色矮星へと進化する。そして，この白色矮星はその後ゆっくりと冷却して，最後に恒星としての静かな終末を迎える。
したがって，この白包矮星は主として水素，ヘリウム，炭素，窒素および酸素より構成されていることになる。それでは白色矮星において，外から内部に向かう重力（万有引力）に対抗して，この星の内部から外に向かって支えているエネルギーはどのような種類のものであろうか。すなわち，どのようにしてエネルギー均衡が保たれているのであろうか。私はヘリウムを除く水素，炭素，窒素および酸素の間の結合反応によって放出されるエネルギーによって，エネルギー均衡が保たれていると考えている。ヘリウムを除いたのはヘリウムが非常に安定な元素であるからである。
例えば，２個の水素原子が結舎して，１個の水素分子を生成する場合を考えてみよう。水素分子における２個の水素原子の結合は非常に強く，共有結合（covalent bond）あるいは共有電子対結合（shered electron-pair bond）と呼ばれる。この結合を切断するためには，458.1ＫＪ‐ｍｏｌ－１のエネルギーを必要とする。従って反対に，２個の水素原子から１個の水素分子を生成する場合には，同量のエネルギーを放出することになる。このように，白色矮星におけるエネルギー均衡を保つために，白色矮星の内部においては，水素，炭素，窒素および酸素の間の結合反応が盛んに進行したであろうことが容易に推測される。例えば，水素分子（Ｈ_２），メタン（ＣＨ_４），アンモニア（ＮＨ_３），シアン化水素（ＨＣＮ），ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ），水（Ｈ_２０），アセトアルデヒド（ＣＨ_３ＣＨＯ）などが，先ず生成され，そして，これらの化合物から，より複雑な有機化合物が盛んに生成されたであろう。ここで，私達が特に注目すべきことは，白色矮星の体内におけるこれらの有機化合物の合成反応は非常に特殊な条件の下において進行したであろうことである。すなわち，これらの反応は著しい高圧と高温，可成り強い還元状態，さらに水溶液中ではなくて，主としてガス状態において，進行したであろうことである。生物体の重要な有機化合物である糖質は単糖を構成単位としている。この単糖は多価アルコールの１個のＯＨが酸化されて，アルデヒドまたはケトンとなったものである。そしてアルデヒド基を有するものは，アルドース，ケトン基を有するものはケトースと呼ばれる。また，単糖はその中に含まれる炭素原子の数によって，三単糖（triose），四単糖（tetrose），五単糖（pentrose），六単糖（hexose），七単糖（heptose）などと呼ばれる。生物界において最も多く認められるのは五単糖と六単糖である。その五単糖の中ではアルドースであるリポースや２－デオキシリポース，六単糖の中ではアルドースであるグルコースやケトースであるフルクトースなどが良く知られている。なお，リポースと２一デオキシリポースは核酸の構成成分である。これらの単糖は縮合してグリコシド結合を形成する。一般に２～６個の単糖が互いにグリコシド結合によって連結したものは少糖，７個またはそれ以上の単糖が互いにグリコシド結合によって連結したものは多糖と呼ばれる。これらの糖質は基本的には水素，炭素および酸素から構成されており，これらの糖質あるいは糖質様物質が白色矮星の内部において形成された可能性があると私は考えている。例えば，単糖である五単糖および六単糖はそれぞれ５個およぴ６個のホルムアルデヒドが結合することによって，形成され得る。他の単糖も同様である。また，これらの単糖がグリコシド結合によって連結して，少糖あるいは多糖を形成する反応も白色矮星の内部において進行し得たであろう。さらに，これらの糖質を含有する白色矮星またはその一部が地球表面に落下すると，この白色矮星の中の糖質または糖質様物質は地球表面の海水中において，種々の化学装飾を受けたであろう。
脂質もまた生物体の重要な有機化合物である。この脂質の中の主要物質である中性脂肪はグリセロールと脂肪酸がエステル結合したものである。そして，この中性脂肪に含まれる脂肪酸としては，炭素数１６および１８の飽和脂肪酸および不飽和脂肪酸が多い。例えば，バルミチン酸，ステアリン酸，オレイン酸，リノール酸あるいはリノレイン酸などが良く知られている。これらのグリセロールおよび脂肪酸は全て水素，炭素および酸素から成っており，これらの有機化合物が白色矮星の内部で，種々の縮合反応によって非生物的に形成され，さらに地球表面の海水中において，化学装飾を受けた可能性がある。また，生物体の重要な高分子有機化合物である核酸を構成する塩基であるアデニン，グアニン，シトシン，チミン，ウラシルなどは水素，炭素，窒素および酸素から構成されている。そして，これらの中のアデニンはシアン化水素（ＨＣＮ）とアンモニア（ＮＨ_３）から合成することができる。また，その他のグアニン，シトニン，チミンおよびウラシルもシアン化水素（ＨＣＮ），アンモニア（ＮＨ_３），ジシアン（Ｃ_２Ｎ_２），シアノアセチレン（ＨＣ_３Ｎ）あるいはホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）を用いて合成することができる。従って，核酸を構成するこれらの塩基が白色矮星の内部において，非生物的に形成され，さらに地球表面の海水中において化学修飾を受けた可能性があると思われる。
蛋白質もまた生物体の重要な高分子有機化合物である。この蛋白質の構成単位として，20種類のアミノ酸が知られている。これらのアミノ酸は全てアミノ基とカルボキシル基を有するけれども，その側鎖の部分の構造はそれぞれ異っている。これらの異った構造を有するアミノ酸が特異的に，しかも非生物的に集合し，ペプチド結合によって連結して，ポリペプチドまたは蛋白質様物質を形成したとは考え難い。むしろ，赤掘の仮説の如く，先ずポリグリシンが形成され，それに種々のアミノ酸側鎖が導入されたと考える方が，より良いように思われる。この点においては，私も赤掘の仮説に賛成である。しかし，赤堀の仮説の如く，その全ての反応が地球表面の海水中で進行したとは考え難い。これらのことについては前にも述べた。
そこで，私は生命の起源に至る原始蛋白質の非生物的形成過程の前半は白色矮星の内部において進行し，そして，その後半は地球表面の海水中において進行したと推測している。すなわち，原始蛋白質も二元的化学進化によって形成されたと推測している。さらに，私は原始核酸も原始蛋白質の形成過程に接続して，二元的化学進化によって形成されたと考えている。以下に，私の提出している原始蛋白質および原始核酸の二元的化学進化の課程について述べることにする。
先ず，白色矮星の内部において，水素，炭素，窒素および酸素が反応して，ホルムアルデヒド，アンモニア，シアン化水素が形成され，さらに，それらが反応して，アミノアセトニトリルが形成される。そして，このアミノアセトニトリルが多数重合して，ポリイミジンを生じる。白色矮星の内部において進行したのはここまでである。これらの反応式を次に示す。

　　Ｈ－ＣＨＯ＋ＮＨ_３＋ＨＣＮ　　→　　Ｈ_２Ｎ－ＣＨ_２－ＣＮ＋Ｈ_２０
ホルムアルテヒドアンモニアシアン化水素　アミノアセトニトリル　水

　　ｎＨ_２Ｎ一ＣＨ_２－ＣＮ　　　　　→　　（ＮＨ－ＣＨ_２－Ｃ－）ｎ
アミノアセトニトリル　　　　　　　　　　　　ポリイミジン　　ＮＨ

他方，蛋白質を構成する２０種類のアミノ酸側鎖のうち，システィン側鎖とメチオニン側鎖を除く18種類のアミノ酸側鎖は水素，炭素，窒素および酸素のみから構成されているので，これらの18種類のアミノ酸側鎖の素材となる化合物もまた白色矮星の内部において形成された可能性がある。例えば，セリン側鎖の素材となるホルムアルデヒト，トレオニン側鎖の素材となるアセトアルデヒト，バリン側鎖の素材となるプロピレン，ロイシン側鎖の素材となるイソプチレン，イソロイシン側鎖の素材となる２－ブテン，芳香族アミノ酸側鎖の素材となる芳香族アルデヒドその他の例をあげることができる。
そして，上述の種々の有機化合物を含有した一つの白色矮星またはその一部が地球表面の海水中に落下したとする。すると，その中に含まれていたポリイミジンは地球表面の海水中において，加水分解して，次に示す如く，ポリグリシンとなる。

（－ＮＨ－ＣＨ_２－Ｃ－）ｎ＋ｎＨ_２０　　→　　（－ＮＨ－ＣＨ_２－ＣＯ－）ｎ＋ｎＮＨ_３
ボリイミシンＮＨ　　　　　水　　　　　　　　　ポリグリソン　　　　　　　　アンモニア

このポリグリシンのメチレン基は一般に反応性に富んでおり，前述の白色矮星の内部において形成された種々の有機化合物がこのメチレン基の部分に導入される可能性がある。それらの例として，セリンおよびトレオニン側鎖の導入の場合を次に示す。

－ＮＨ－ＣＨ_２－ＣＯ－＋Ｈ－ＣＨＯ　　　→　ＮＨ－ＣＨ－ＣＯ－ＣＨ２－ＯＨ
ポリグリシン　　　　　　　ホルムアルデヒト　セリン側鎖

－ＮＨ－ＣＨ２－ＣＯ－＋ＣＨ３－ＣＨＯ　→　－ＮＨ－ＣＨ－ＣＯＣＨ３－ＣＨ－ＯＨ
ポリクリシン　　　　　　　アセトアルデヒド　トレオニン側鎖

このようにして，ポリグリシンのメチレン基に種々のアミノ酸側鎖が導入されることによって，ポリペプチド様あるいは蛋白質様の高分子有機化合物が形成されたであろう。なお，システィンとメチオニンの側鎖は硫黄（Ｓ）を含んでいるので，それらの側鎖の素材は地球上において形成されたであろう。
他方，このポリグリシンのメチレン基には，核酸の塩基成分が結合する可能性もある。このポリグリシンに種々の塩基が結合した高分子有機化合物はポリヌクレオグリシン（ｐｏｌｙｎｕｃｌｅｏｇｌ－ｙｃｉｎｅ）と呼ぷことができよう。さらに，このポグリシンに種々のアミノ酸側鎖とともに，種々の塩基が結合した高分子有機化合物はポリヌクレオペプチド（polynucleopeptide）と呼ぷことができよう。従って，このポリヌクレオペプチドは一面では単純な蛋白質としての触媒機能を分担し，他面では塩基を介して，単純な複製の機能を果たすことができないだろうか。例えば，このポリヌクレオペブチドの塩基成分に，環境中の他の遊離の塩基が相補的に結合し，この結合した塩基に遊離のポリグリンが結合し，ポリヌクレオグリシンとなり，これにさらにアミノ酸側鎖が導入されると，新しい相補的なポリヌクレオペプチドが形成されることになる。そして，新しいポリヌクレオペブチドの形成におけるアミノ酸残基の導入は，すでに結合している塩基の種類，数および位置によって，或る程度の制限を受けることになるであろう。この事実は，現在の生物界において認められるような遺伝子による蛋白質の一次構造決定の原始的な形態ではないだろうか。
そして，環境中に大量に存在していたポリグリシンが次第に欠乏してくると，塩基成分は，次には白色矮星によって運ばれてきて，地球表面の海洋中に存在していたリポースと結合し，さらに，その海洋中に以前から既に存在していたリン酸と結合して，核酸様物質を形成し，これから更に，デオキシリポ核酸（ＤＮＡ）およびリポ核酸（ＲＮＡ）ヘと進化したであろう。他方，ポリヌクレオペプチドのポリペプチドの部分は独立して，生物体内における触媒機能を専門的に行う蛋白質へ進化したものと考えられる。なお，これまでに述べてきた私の仮説については，今後の実験的な証明が必要であろう。

佐世保市医師会報第７５号（平成９年　陽春）より平成１３年２月７日転載

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