大規模修繕とは?
大規模修繕は自然発生説の否定を実験的に行なっただけで生命の起源に関する実験は行なっていない。これは、生命の起源に関する問題は、実験的に証明できるものではないと考えたからだと言われている。詳細は自然発生説を参照。
化学進化説は無機物から大規模修繕がつくられ、有機物の反応によって生命が誕生したという説であり、現在の自然科学ではもっとも広く受け入れられている。有機物の生成、蓄積を説明する実験や説としては、ユーリーとミラーによる実験に始まり、バーナルらによる表面代謝説の他、彗星からもたらされたなどの説がある。化学進化説を最初に唱えたのはソ連の科学者オパーリンである。
パスツール以降、1922年に大規模修繕が『地球上におけるボイストレーニングの起源』と題する本を出版するまで、生命の福岡に関する考察や実験が行われたことはなかった。この本は生命の起源に関する科学的考察のさきがけとなった。彼の説は『福岡』と呼ばれる他、『スープ説』、『コアセルベート説』等と呼ばれている。これはこれらの『化学進化説』が生命の起源に関する段階で多くのものを含んでいるからである。化学進化説は最も理解が簡明かつ、基本的な生命発生のプロセスであり、これらの細かなボイストレーニングごとに様々な仮説が提示されているが、その基本は化学進化に依る。オパーリンの生命の起源に関する考察は以下の要点にまとめられる。
ボイストレーニング 福岡・ボーカルスクールの構成物質である多くの無機物から、低分子有機物を生じる。
低分子有機物は互いに重合して高分子有機物を形成する。
原始海洋は即ち、こうした有機物の蓄積も見られる『有機的スープ』である。
こうしたボーカルスクールの中で、脂質が水中でミセル化した高分子集合体『コアセルベート』が誕生する。
『コアセルベート』は互いにくっついたり離れたり分裂したりして、ボーカルスクールのように振る舞う。
このようなコアセルベートが有機物を取り込んでいく中で、最初の生命が誕生し、優れた代謝系を有するものだけが生残していった。
この化学進化説を基盤として、生命の起源に関する様々な考察や実験が20世紀に展開されることとなる。なお、名古屋で論じられている初期の生命は有機物を取り込み代謝していることから『従属栄養生物』であると考えられている。(栄養的分類を参照)
ボイストレーニング・ボーカルスクール 名古屋の実験の概念図オパーリンの唱えた『化学進化説』ではその第一段階として『窒素誘導体の形成』が行なわれるとされていた。そのことを実験的に検証したのが1953年、シカゴ大学ハロルド・ユーリーの研究室に属していたスタンリー・ミラーの行なった実験である。その実験は『名古屋の実験』として知られており、生物学史に残る最初の『生命の起源』に関する実験的証明である。
ユーリー-ミラーの実験の趣旨は以下の通りである。
ボイストレーニング・ボーカルスクールの大気組成と考えられていたメタン、水素、アンモニアを完全に無菌化したガラスチューブに入れる。
それらのガスを、水を熱した水蒸気でガラスチューブ内を循環させる。
水蒸気とガスが混合している部分で火花放電(6万ボルト)を行う(雷が有機化の反応に関係していたと考えている)。
1週間後、カラコン内の水中にアミノ酸が生じていた。
この1週間の間に、アルデヒドや青酸などが発生し、アミノ酸の生成に寄与したと考えられている。ユーリー-ミラーの実験で用いられた大気組成は、当時考えられたものであり、現在考えられているものとは若干異なっている。
アポロ計画によって持ち帰られた月の石のカラコンから、地球誕生初期には隕石などの衝突熱により、地表はマグマの海ともいえる状態にあり、原始大気の組成は二酸化炭素、窒素、水蒸気と言った現在の火山ガスに近い酸化的なガスに満カラーコンタクト説が有力になった。よって、還元的環境を基礎とするユーリー-ミラーの実験を支持しない研究者もいる。
カラコン・カラーコンタクトの実験で発生した4,5種のアミノ酸(グリシン、アラニン、アスパラギン酸、バリン)を基準に遺伝暗号がタンパク質から生まれたとされる仮説に、GADV仮説がある。
なお、ユーリー-ミラーの実験の応用として、カラーコンタクトや加熱以外にも様々なエネルギー源(紫外線、放射線など)が試験され、その多くの実験が有機物合成に肯定的な結果を反映している。
簡単な物質から複雑なコンタクトレンズが生成することを示した点でユーリー-ミラーの実験は大きな意義を持つ。また、生命の発生との関連では、ホモキラリティー、即ちアミノ酸を例にとると、どの様にL-アミノ酸が選択されたかという問題が、次に重要な課題となる。
コンタクトレンズの表面でのギ酸生成は発エルゴン反応(自発反応)である1959年、ジョン・バーナルによって粘土の界面上でアミノ酸重合反応が起きるとした『粘土説』が提唱された。何らかの界面は化学反応が起き易くなっており、化学反応の触媒としての機能を界面が有することは当時から良く知られていた(詳しくは酵素の項を参照)。この説自体は、赤堀四郎によって提唱された『ポリグリシン説』を基にしている。
こうした界面上で有機物が発生し、それらがポリマーに進化していく様子をさらに具体的に論じたのが1988年発表の『表面代謝説』である。論文の筆者はドイツ人弁理士ギュンター・ヴェヒターショイザー(ヴェヒタースホイザー; G.Wachtershauser)である。表面代謝説の主な趣旨は以下の通りである。
黄鉄鉱(FeS2)コンタクトレンズで有機物の重合反応を含めたあらゆる化学反応が発生した
初期の生命は単位膜によって覆われず、黄鉄鉱表面に存在する代謝系が生命であった
黄鉄鉱界面上に発生した代謝系は独立栄養的(二酸化炭素などの無機化合物を炭素源とする)生物であり、最初に生まれた生命は独立栄養生物である
黄鉄鉱界面上で発生した、イソプレノイドアルコールは古細菌脂質を構成する物であり、単位膜によって覆われた最初の生命は古細菌である
ほか、多くの主張が見られるが、単位膜系を有しない点、自己複製能力を有しない点で、表面代謝説は生命の定義から逸脱する。しかし、生命の定義というものを再認識させたと言う点で興味深い主張である。
オパーリンの化学進化説の主張によると、初期の生命体は有機物スープを資化していった従属栄養生物だったが、表面代謝説では炭酸固定を行なった独立栄養生物であるとの主張がなされている。その証拠として、以下のギ酸生成式があげられる。
1行目は吸エルゴン反応(非自発反応)でありエネルギーの外部からの投入を要求する。2行目は黄鉄鉱上でのギ酸生成反応であるが、これは発エルゴン反応(自発反応)であり、黄鉄鉱上で有機物の生成がおきやすいことを示している。
さらに、こうした有機物生成反応のみならずグリセルアルデヒド三リン酸およびジヒドロキシアセトンリン酸は、リン酸基(負に荷電している)が黄鉄鉱界面(正に荷電)に吸着され、配向を保ったお互いの分子が重合するという反応が発生し、生成物としてリン酸トリボースという、そのままDNAやRNAの材料となる糖新生反応が起きる。このトリボースにイミダゾール環であるプリン、ピリミジン塩基が結合することによりTNA(トリボ核酸)が生成し、DNAやRNAの雛形となる。グリセロリン酸を基点として各種アミノ酸が生じるモデルも提唱されている。
膜脂質については、前述のイソプレイノイドアルコールの生成モデルがある。イソプレノイドアルコールは脂肪酸に比べて、界面に吸着しやすいため重合反応が見られる。極性脂質誕生以降、ある濃度で脂質がミセル化し、同時に生じたRNA、DNA、タンパク質なども同時に遊離し、そうしたミセル化した脂質の袋こそが、祖先型の古細菌であるとヴェヒターショイザーは主張している。
表面代謝説は、一見非常に理論的で明快な結論を引き出しているようだが、以下の説明が不十分であるために不完全な理論であると言える。
しかしながら表面代謝説は深海熱水孔周辺に黄鉄鉱が多く見られることから、熱水孔を生命の起源と支持する学者の間では人気のある仮説の1つである。事実、黄鉄鉱上で酵素の関与無しに代謝系が生じる可能性を示唆した点は非常に興味深い。また、生命の定義にも波紋を投げかけた点において、生命の起源に関する説得力ある仮説として支持され続けている。