地球上の生命起源は二度起こっていた可能性

最初の生命は「自前の代謝」をまだ完成させていなかった？

生命の起源を考えるとき、研究者たちを長く悩ませてきた問題の1つが、「最初の代謝はどうやって始まったのか」というものです。

私たちの細胞が生きていくには、細胞の設計図となるDNA、細胞そのものを作るための材料、そして生命活動を動かすためのエネルギーが必要です。

生物は、周囲から取り込んだ物質をさまざまな化学反応によって作り変え、こうした材料やエネルギーを生み出しています。この一連の仕組みを「代謝」といいます。

しかし、ここには生命の起源を考える上で大きな問題があります。

現在の生物では、代謝を構成する化学反応の多くを「酵素」という触媒が助けていますが、その酵素を作るために必要なアミノ酸やエネルギーは、代謝によって供給されているのです。

つまり生命の始まりには、「代謝を進めるための酵素が必要なのに、その酵素を作るためには代謝が必要になる」という、鶏と卵のような問題があるのです。

研究チームが今回注目したのは、この問題がLUCAの時代まで残っていた可能性です。

LUCA（Last Universal Common Ancestor：最終普遍共通祖先）とは、現在のすべての細胞生物の系統を過去へ辿ったたときに行き着く、最後の共通祖先にあたる存在です。

ただし、その具体的な姿は分かっておらず、現在の生物のように独立して生きる1つの個体だったと決めつけることもできません。

ここではLUCAに明確な姿を与えてイメージするより、非常に原始的な、細胞生物の全段階に当たる存在だと考えておくのが適当でしょう。

そしてLUCAからその後の進化をたどると、系統はやがて現在まで続く「細菌」と「古細菌」という2つの大きなグループへと分かれていきます。

研究者たちは、552種の細菌と401種の古細菌のゲノムを調べ、アミノ酸や核酸塩基、補酵素などを作る中核的な代謝反応に関わるタンパク質を比較しました。

古い時代に共通祖先から受け継がれたタンパク質は、長い進化の間にアミノ酸配列が大きく変わっている場合があります。

そのため今回は配列だけでなく、より長く特徴が残りやすいタンパク質の立体構造も比較し、酵素同士の進化的なつながりを調べました。

そして研究チームは、こうして系統上の由来を調べた中核代謝酵素群のうち、計330群について、それがLUCAの時代から存在していたのか、それとも細菌と古細菌が分かれた後に加わったのかを分類しました。

その結果、166群は細菌と古細菌の両方に広く共通しており、両者の共通祖先であるLUCAの時代から受け継がれてきたものと推定されたのです。

ここからわかった興味深い点が、DNAの合成系はLUCAに比較的そろっていたにも関わらず、アミノ酸や補酵素を作る仕組みは不足していた可能性があることです。

さらに、同じ化学反応なのに、細菌と古細菌で立体構造が大きく異なる酵素も5例見つかりました。

これらの結果は、両者がLUCAから同じ酵素をそのまま受け継いだのではなく、同じ仕事をする酵素をそれぞれ独立して獲得した可能性があることを意味します。

では、それらの酵素がまだ存在しなかった時代に、必要な化学反応はどうやって進んでいたのでしょうか。

研究チームが候補として考えているのが、海底の熱水環境に存在する鉄やニッケルなどの金属です。

今回調べた反応のうち37反応は、熱水環境に近い条件のもと、金属などを使って酵素なしでも同じ反応が進むことがすでに確認されています。

つまり初期の生命は、自分で作った酵素だけで生きていたのではなく、周囲の環境を利用して代謝を成立させ、そこから少しずつ環境への依存を減らし、自力で代謝出来るように進化していったと考えられるのです。

今回の興味深い点は、その進化がLUCAの段階では起きておらず、完全に自力の代謝が出来るようになったのは細菌・古細菌に分かれた後である可能性が示されたことです。