始まりの生命「共通祖先」はいつ・どこで・どのように誕生したのか？

生き物のはじまり

生命はどこからやってきて、どのように今日に至ったのでしょうか？　バクテリアから野球への道筋は単純なものではありませんでした。この短期連載では、地球上の生命の進化を探求していきます。それはたくさんの湾曲や転機を含む野蛮な旅であり、我々はほとんどやり遂げられていないこともたくさんあります。

最初のエピソードは、最も早い地質学上の区分のうちの2つである、始生代と原生代についでです。始生代の前に、冥王代という1つの地質学上の区分がありました。それは45～40億年前のことでした。

しかし地球の岩石は継続的に破壊されたり再形成されたりしていたので、そのくらい古い岩石は文字通りなくなっています。地質学を岩石なしに語るのは難しいので、始生代から始めようと思います。

始生代はおよそ40億年前に始まり、25億年前に岩石の化学的性質が変わり始めたときに終わりました。そしてプレート理論―地球の地殻の移動の仕方―が重視され始めました。それが原生代の始まりで、5億4200万年前まで続きました。それら2つの期間が生命が誕生したときであり、ゆっくりと複雑さをもって発展しました。

それは生命が環境を変化させたときでもあり、ある生き物たちにはより適した環境、そうでないものにはより危険な環境になりました。地球とそこに住む生き物は複雑な関係性があります。互いに影響しあっているのです。その惑星の地質は生命の進化を誘導し、生命は存在するだけで地球を形成したのです。

始生代の間の地球の地質は、おそらく最初の生命体を形成したのです。しかしあなたは惑星を認識しなかったでしょう。大気にはたくさんのメタン、アンモニア、水素、二酸化炭素が含まれています。還元性環境と呼ばれる一種の化学的化合物で、それは化学反応に利用できる電子を作れるということを意味しています。

それはおそらく結局生体分子へと変化する分子にとっては良いニュースでしょう。それらは互いに反応しあうことができ、より複雑になり始めたのです。二酸化炭素、メタンは温室効果ガスなので、そのとき太陽はもっと若く弱々しかったにも関わらず地球はその当時もっと暑かったのです。実のところ、極冠や氷河の痕跡は始生代には全くないのです。氷には暑すぎたのです。

一方、大陸は強固になっていきました。プレート地殻変動により、大陸はあちこちに移動しましたが、今日の大陸の大半を占める内部の岩石の中心部は、始生代に遡ります。

火山は炭素化合物と水を大気中に噴出します。海がその水からかなり素早く凝結しました。そして大気中にほとんど酸素がなかったため、オゾン層もありませんでした。紫外線は非常に強烈だったかもしれません。

生命が地球を変えた

もしあなたがタイムマシンに乗り込み、始生代の地球に時空旅行したら、金星にいるように感じるかもしれません。それは現在の温暖な気候と、窒素と酸素から成る大気とは全く異なるものです。では何が変化したのでしょうか？

そう、生命が誕生したのです。暖かい海と炭素が豊富な大気の中のある時点では、複製を作るのに必要な情報を含み、そうするための化学的能力を持つ生体分子は、有機化合物から形成されていました。

それらは外界から身を守る油性の膜に包まれることになりました。生きている細胞に似た最初のものです。そして結局、この最初の生命は環境と気候を一変させました。科学者の中には一番最初の生体分子はRNAであったと信じています。それは我々のDNAが現在細胞核の外へ情報を伝達するのに使う分子です。それはRNAワールド仮設と呼ばれています。

RNAはDNAにとてもよく似ていますが、単純な構成要素からより容易に形成されます。それはDNAと同じように、遺伝情報を蓄えますが、それは化学反応が起こるのを容易にさせる形状に、自身をもつれさせることが出来ます。それはたんぱく質が我々の細胞内で現在行っているのと同じ方法です。RNAワールド仮設は、RNAがなぜDNAと我々の細胞内のたんぱく質の中間であるのかを説明できるでしょう。

しかし科学者の中には、生命にとってRNAをDNAやたんぱく質へ変化させることはあまりに複雑すぎるので、これら3つは同時に進化したと主張する者もいます。生命がRNAとして発生したかどうかはともかく、今日生きるすべてのものの共通の祖先がここに至るまで、そのシステムはDNAが元となっています。

41億年前に生命はいた？

最も古い化石は、35億年前にバクテリアの形状の生命が存在していたことを示しています。しかし最近の発見では、生命はもっと古くから存在していたことを示しています。カリフォルニアの研究チームは、41億年前に生命が存在した根拠を発見しました。ここで、私がつい先ほど40億年以上前の岩石は存在しないと言ったばかりだと分かっています。つまり化石も存在しないということになります。

しかしそのチームは、周囲の岩石が破壊されても維持されうる、ジルコンと呼ばれる弾力性のある小さな鉱石を発見したのです。それから、それらは新しい岩石に組み込まれます。

問題のジルコンは、オーストラリアで発見され、41億年前の炭素の痕跡を含んでいます。アイソトープと呼ばれるより軽いまたは重い形状の炭素があり、生き物は重いものに比べ軽いものを比較的多く持っている傾向があります。それはジルコンでも同様です。

多くの科学者にとって、生命がそんなに古くから存在する可能性のあることは信じがたいことです。まず1つには、地球は38億年前に小惑星に激突され、それは後期重爆撃期と呼ばれています。今度月を見上げた時に、クレーターをよく見てみてください。それらの多くは後期重爆撃期が原因です。

そして恐竜に起こったことから推測される通り、小惑星の衝突は生き物の存続にとって好ましいものではありませんでした。しかしいくつかの分析では、後期重爆撃期は全てではなく大半の生き物を絶滅させたと考えられるので、その時代に生き物が存在していたならばいくらかは生き延びたのではないか、ということを示唆しています。

いずれにせよ、35億年前の化石についてはより確信があります。それらはストロマトライトと呼ばれ、バクテリアの膜が蓄えられてできた層から成っています。オーストラリアのシャーク湾で生存しているものもいますが、今日ストロマトライトはかなり珍しいものです。

しかしほとんど5億年前に放牧動物が進化し周囲のバクテリアを食べ始めたころまでに、ストロマトライトは顕著に広がった生命の形態となりました。それは基本的に30億年もの間地球を支配してきたことを意味します。ストロマトライトは泥だらけの岩の塊のように見えるかもしれませんが、実際はある意味驚くべきものなのです。

光合成のはじまり

生命の出現が35億年前まで遡るとしても、それでも驚くべきことです。なぜならそれは生命が最初に出現したとき地球はすでに10億歳だったことを意味しているからです。特に大陸や海やその他のものが形成されてからは、そんなにたくさんの時間が経ったわけではありません。

生命体が出現するのはそんなに大変なことではなかったかもしれません。大変なのは、酸素が出現してから生き延び続けることでした。何種類かの微生物がストロマトライトを作り出しました。そのうち1つが、シアノバクテリアです。そしてそのシアノバクテリアはかなり特別でした。

他の初期の微生物のように、周囲の環境からエネルギーを取り入れる代わりに、シアノバクテリアは太陽からエネルギーを取り入れることができたのです。それらは光合成をすることが出来ました。

光合成は始生代に進展したと思われていますが、実際は原生代の初期まで本格的に機能していませんでした。なぜなら新しい大陸で水の循環が機能するのに時間を要したからです。

水は大陸を風雨にさらします。水は土砂を海に運び込み、海岸の周りに浅瀬を創り出します。それが大陸棚です。

大陸棚は浅く太陽光をたくさん浴びるので、光合成には都合が良いのです。しかし光合成は嫌な、化学的に強欲な、毒のある副産物を持っているのです。それが「酸素」で、最も強欲で周期表上の電子をはぎ取る要素です。

それは事実上何にでも反応します。我々は化学的に電子を盗むことに対し、酸化という言葉をつけました。大陸棚が形成されるとすぐに、シアノバクテリアは酸素を排出し始めました。

地球上の多くの無酸素生物や酸素に耐性のない生命体にとって、明日はありませんでした。それらは酸素に慣れておらず、扱うことが出来ませんでした。それは彼らにとって毒だったのです。酸素と反応しそれらは破壊されました。

酸素は岩石をも変化させました。それは鉄と反応し、海中で分解し、今日未だに見られる鉄鉱石の帯が横たわっているのです。地球は根本的に錆びてしまったのです。

より複雑なかたちへ

しかし、別の問題がありました。シアノバクテリアはそれら炭素を含む温室効果ガスを分解したため、地球の温度は急激に下がりました。原生代の初期、そして再び終わりに近いころの2回、地球は雪だるまのようになったのです。

生命は毒され、そして凍死しました。シアノバクテリアは大気を大幅に変化させ、気候を不安定にさせ、地球そのものの構成を変えてしまったのです。やがて火山がより多くの温室効果ガスを噴出し、雪だるまは解けました。寒さに耐性のある生命体はなんとか危機を乗り越えました。

そして生物の中には酸素に耐えるだけでなく、エネルギーを作り出すのに使うことを学んだのです。それらは好気性の生命体となりました。しかし多くの嫌気性の生命体は、隠れる場所を探すか死ぬかしかなかったのです。

生きることはたやすいですが、生き延びることは大変なのです。そういうわけで、単純な細胞よりも複雑な細胞になってきました。生命体は20億年かそこらの間、単細胞のままでした。

そしてそれは非常に奇妙なことが起こったため変化しただけなのです。その奇妙なこととは、内部共生です。21億年前の原生代のいつかに、嫌気性の細胞が、エネルギーの産出に酸素を使っていた好気性のバクテリアを食べたのです。そしてより大きな細胞は、より小さな細胞を消化することはありませんでした。

その小さな方は生き続け、エネルギーの産出に酸素を使い、たくさんのエネルギーの余剰が出ました。大きい方の細胞は内部にその小さな細胞がいることで利益を得たのです。

核を持つ真核細胞には、内部にそれらの好気性のバクテリアの子孫がいました。それがミトコンドリアです。その便利なエネルギー産出の方法は、生物がより複雑になる新しい道を開きました。それはすべて奇妙な偶然だったのです。しかしそれはそんなに奇妙ではなかったのかもしれません。なぜならそれは再び起こったからです。

植物の祖先はシアノバクテリアを飲み込んだのです。それは光合成をし続けました。だから今、植物は葉緑体を持つのです。

多細胞生物の最初の痕跡は21億年前になります。しかしそれは単細胞生物の群れだった可能性もあります。我々がかなり確信を持っている、最も初期の多細胞の真核生物は15億年前のものです。

動物は6～8億年前まで現れませんでした。原生代の後期とその次の地質学上の時期に、動物の生活は、今日未だに存在する様々な動物の体形の基盤を確立したのです。