第30章宇宙の生命Life in the Universe

The carbon compounds that form the chemical basis of life may be common in the universe, but it is still a giant step from these building blocks to a living cell. The genes (the basic functional units that carry the genetic, or hereditary, material in a cell) vary greatly in length; they consist of DNA sequences built from nucleotides. Furthermore, even the most primitive life required two special capabilities: a means of extracting energy from its environment, and a means of encoding and replicating information in order to make faithful copies of itself. Biologists today can see ways that either of these capabilities might have formed in a natural environment, but we are still a long way from knowing how the two came together in the first life-forms.

生命の化学的な基盤となる炭素化合物は、宇宙ではありふれているかもしれない。しかし、その構成材料から生きた細胞へ至るには、なお巨大な隔たりがある。遺伝子は、細胞内で遺伝物質を担う基本的な機能単位である。その長さには大きな幅があり、ヌクレオチドが連なるDNAの配列からできている。さらに、最も原始的な生命でさえ、二つの特別な能力を必要とした。環境からエネルギーを取り出す手段と、自分自身の忠実なコピーを作るために、情報を符号化して複製する手段である。今日の生物学者は、それぞれの能力が自然の環境で生じうる道筋を考えられる。しかし、その二つが、最初の生命体の中でどう結びついたのかを理解するには、まだ長い道のりがある。

We have no solid evidence for the pathway that led to the origin of life on our planet except for whatever early history may be retained in the biochemistry of modern life. Indeed, we have very little direct evidence of what Earth itself was like during its earliest history—our planet is so effective at resurfacing itself through plate tectonics (see the chapter on Earth as a Planet) that very few rocks remain from this early period. In the earlier chapter on Cratered Worlds, you learned that Earth was subjected to a heavy bombardment—a period of large impact events—some 3.8 to 4.1 billion years ago. Large impacts would have been energetic enough to heat-sterilize the surface layers of Earth, so that even if life had begun by this time, it might well have been wiped out.

地球の生命の起源へ至った道筋について、確かな証拠はない。例外は、現代の生命の生化学に残されているかもしれない、初期の歴史の痕跡だけである。実際、地球そのものが最初期にどのような姿だったのかを直接示す証拠も、ほとんどない。プレートテクトニクスによって地表を作り替える働きが非常に効果的なため、この初期の時代の岩石は、ほとんど残っていないのである。「惑星としての地球」の章も参照してほしい。前の「クレーターに覆われた世界」の章で学んだように、約38億〜41億年前、地球は、大規模な衝突が繰り返される重爆撃を受けた。巨大衝突のエネルギーは、地球の表層を熱で滅菌するのに十分だっただろう。したがって、その時点ですでに生命が始まっていたとしても、消し去られた可能性が高い。

When the large impacts ceased, the scene was set for a more peaceful environment on our planet. If the oceans of Earth contained accumulated organic material from any of the sources already mentioned, the ingredients were available to make living organisms. We do not understand in any detail the sequence of events that led from molecules to biology, but there is fossil evidence of microbial life in 3.5-billion-year-old rocks, and possible (debated) evidence for life as far back as 3.8 billion years.

大規模な衝突がやむと、地球には、より穏やかな環境が整った。これまでに述べた、どの供給源からであれ、地球の海に有機物が蓄積していたなら、生物を作るための材料は、利用できる状態にあった。分子から生物へ至る一連の出来事の詳細は、まだ理解できていない。しかし、35億年前の岩石には、微生物の生命を示す化石の証拠があり、さらに38億年前までさかのぼる生命の証拠も、議論はあるものの、存在する可能性がある。

Life as we know it employs two main molecular systems: the functional molecules known as proteins, which carry out the chemical work of the cell, and information-containing molecules of DNA (deoxyribonucleic acid) that store information about how to create the cell and its chemical and structural components. The origin of life is sometimes considered a “chicken and egg problem” because, in modern biology, neither of these systems works without the other. It is our proteins that assemble DNA strands in the precise order required to store information, but the proteins are created based on information stored in DNA. Which came first? Some origin of life researchers believe that prebiotic chemistry was based on molecules that could both store information and do the chemical work of the cell. It has been suggested that RNA (ribonucleic acid), a molecule that aids in the flow of genetic information from DNA to proteins, might have served such a purpose. The idea of an early “RNA world” has become increasingly accepted, but a great deal remains to be understood about the origin of life.

私たちの知る生命は、主に二つの分子システムを使っている。一つは、細胞内の化学的な仕事を実行する、タンパク質という機能分子である。もう一つは、細胞と、その化学的・構造的な構成要素をどう作るかという情報を蓄える、DNA、すなわちデオキシリボ核酸の分子である。生命の起源が「ニワトリと卵の問題」と見なされることがあるのは、現代の生物では、どちらのシステムも、他方なしには働かないからである。情報を蓄えるために必要な正確な順序でDNAの鎖を組み立てるのは、タンパク質である。しかし、そのタンパク質は、DNAに蓄えられた情報に基づいて作られる。どちらが先だったのだろうか。生命の起源を研究する人の中には、生命誕生前の化学反応は、情報を蓄えることと、細胞の化学的な仕事を行うことの両方ができる分子に基づいていた、と考える人がいる。DNAからタンパク質へ遺伝情報を伝えるのを助ける分子であるRNA、リボ核酸が、その役割を果たしていたかもしれないと提案されている。初期に「RNAワールド」があったという考えは、ますます受け入れられるようになっているが、生命の起源については、なお理解すべきことが数多く残る。

Perhaps the most important innovation in the history of biology, apart from the origin of life itself, was the discovery of the process of photosynthesis, the complex sequence of chemical reactions through which some living things can use sunlight to manufacture products that store energy (such as carbohydrates), releasing oxygen as one by-product. Previously, life had to make do with sources of chemical energy available on Earth or delivered from space. But the abundant energy available in sunlight could support a larger and more productive biosphere, as well as some biochemical reactions not previously possible for life. One of these was the production of oxygen (as a waste product) from water, and the increase in atmospheric levels of oxygen about 2.4 billion years ago means that oxygen-producing photosynthesis must have emerged and become globally important by this time. In fact, it is likely that oxygen-producing photosynthesis emerged considerably earlier.

生命の誕生そのものを別にすれば、生物の歴史で最も重要な革新は、おそらく光合成という過程の発見だった。光合成は、一部の生物が太陽光を使い、炭水化物など、エネルギーを蓄える物質を作る、複雑な一連の化学反応であり、副産物の一つとして酸素を放出する。それ以前の生命は、地球に存在する、あるいは宇宙から運ばれてくる化学エネルギー源で、どうにかやっていかなければならなかった。しかし、太陽光から得られる豊富なエネルギーは、より大きく、生産性の高い生物圏を支えることができた。また、それまで生命にできなかった生化学反応の一部も、可能にした。その一つが、水から、廃棄物として酸素を作る反応だった。約24億年前に大気中の酸素量が増えたことは、この時点までに、酸素を生む光合成が現れ、地球規模で重要になっていたはずだということを意味する。実際、酸素を生む光合成は、それよりかなり早く現れた可能性が高い。

Some forms of chemical evidence contained in ancient rocks, such as the solid, layered rock formations known as stromatolites, are thought to be the fossils of oxygen-producing photosynthetic bacteria in rocks that are almost 3.5 billion years old (Figure 30.5). It is generally thought that a simpler form of photosynthesis that does not produce oxygen (and is still used by some bacteria today) probably preceded oxygen-producing photosynthesis, and there is strong fossil evidence that one or the other type of photosynthesis was functioning on Earth at least as far back as 3.4 billion years ago.

ストロマトライトと呼ばれる、固く層状になった岩石など、古い岩石に含まれる化学的な証拠の一部は、約35億年前の岩石に残る、酸素を生む光合成細菌の化石だと考えられている（図30.5）。一般には、酸素を生まない、より単純な光合成が、酸素を生む光合成に先行したのだろうと考えられている。酸素を生まない型は、現在も一部の細菌が使っている。また、少なくとも34億年前には、いずれかの型の光合成が地球で働いていたことを示す、強い化石の証拠がある。

The free oxygen produced by photosynthesis began accumulating in our atmosphere about 2.4 billion years ago. The interaction of sunlight with oxygen can produce ozone (which has three atoms of oxygen per molecule, as compared to the two atoms per molecule in the oxygen we breathe), which accumulated in a layer high in Earth’s atmosphere. As it does on Earth today, this ozone provided protection from the Sun’s damaging ultraviolet radiation. This allowed life to colonize the landmasses of our planet instead of remaining only in the ocean.

光合成で作られた遊離酸素が、大気に蓄積し始めたのは、約24億年前である。酸素と太陽光の相互作用によってオゾンができ、それが地球大気の高いところで層をなして蓄積した。オゾンは1分子当たり3個の酸素原子を持ち、私たちが呼吸する酸素の、1分子当たり2個と異なる。現在の地球でそうしているように、このオゾンは、太陽の有害な紫外線から生命を守った。これにより、生命は海だけにとどまることなく、地球の陸地へ進出できるようになった。

The rise in oxygen levels was deadly to some microbes because, as a highly reactive chemical, it can irreversibly damage some of the biomolecules that early life had developed in the absence of oxygen. For other microbes, it was a boon: combining oxygen with organic matter or other reduced chemicals generates a lot of energy—you can see this when a log burns, for example—and many forms of life adopted this way of living. This new energy source made possible a great proliferation of organisms, which continued to evolve in an oxygen-rich environment.

酸素量の増加は、一部の微生物にとって致命的だった。酸素は反応性が非常に高く、酸素のない環境で初期の生命が発達させた生体分子の一部を、元に戻せないほど損傷できるからである。ほかの微生物にとっては、それは恩恵だった。酸素を有機物や、ほかの還元された化学物質と結合させると、大きなエネルギーが生じる。たとえば、薪が燃えるときに、そのことを見ることができる。多くの生命は、この生き方を取り入れた。この新たなエネルギー源は、生物の大増殖を可能にし、生物は酸素に富む環境で進化を続けた。

The details of that evolution are properly the subject of biology courses, but the process of evolution by natural selection (survival of the fittest) provides a clear explanation for the development of Earth’s remarkable variety of life-forms. It does not, however, directly solve the mystery of life’s earliest beginnings. We hypothesize that life will arise whenever conditions are appropriate, but this hypothesis is just another form of the Copernican principle. We now have the potential to address this hypothesis with observations. If a second example of life is found in our solar system or a nearby star, it would imply that life emerges commonly enough that the universe is likely filled with biology. To make such observations, however, we must first decide where to focus our search.

その進化の詳しい内容は、本来、生物学の授業で学ぶものである。しかし、自然選択、つまり適者生存による進化の過程は、地球の驚くほど多様な生命体が、どう発達してきたかを明確に説明する。それでも、生命の最初の始まりという謎を、直接解くわけではない。私たちは、条件が適していれば、いつでも生命が誕生するだろうという仮説を立てる。しかし、この仮説は、コペルニクスの原理を別の形で述べたものにすぎない。今の私たちには、この仮説を観測によって検討できる可能性がある。太陽系や、近くの恒星で生命の第2の例が見つかったなら、生命は、宇宙が生物で満ちている可能性が高いと思えるほど、普通に誕生することを意味するだろう。ただし、そのような観測を行うには、まず、どこに探査を集中させるかを決めなければならない。