一番最初の細胞は代謝のためのエネルギーをどこから得たのでしょうか?そしてどのような反応が起こったのでしょうか？ドイツとオーストリアの研究チームがこの疑問に対する答えを見つけたかもしれない。古代の微生物の代謝の分析で、彼らはおそらくすべての生命の共通の祖先にすでに存在していた402の代謝反応を特定しました。熱水噴出孔の場合と同様に、水素と熱が存在すると、これらの反応の多くは追加のエネルギー投入なしに発生することが研究チームによって発見された。これは、このような深海温泉での生命の起源の可能性を示唆しています。
生命が最初にどこでどのように誕生したのかは、依然として生物学の大きな謎の 1 つです。タンパク質やRNAなどの生命の重要な構成要素は、最初の細胞が形成される前に作られていたに違いないことは明らかのようです。一般的な仮定によれば、これらの分子は、岩石胞子、暖かくミネラル豊富なプール、または海底の特定の熱水噴出孔などの好ましい環境で純粋に化学的に形成された可能性があります。脂質やその他の化合物でできた小さな泡に包まれた生命の構成要素は、ある種の原始細胞で最初の代謝反応を形成した可能性があります。しかし、これらがどのような反応であったのか、またそのエネルギーがどこから得られたのかは不明です。
最初のセルに戻る
「私たちは、元の代謝がそのエネルギーをどこから得ているのかを知りたかったのです」と、筆頭著者であるデュッセルドルフ・ハインリッヒ・ハイネ大学のジェシカ・ヴィマー氏は説明します。 「40億年前には、今日の細胞の反応を触媒する酵素は存在しませんでした。むしろ、反応は当時の環境で単独で起こる必要がありました。」研究のために、ウィマーらはまず、さまざまな細菌や古細菌の遺伝的および生化学的比較を使用して、元の最も古い代謝反応を再構築しようとしました。彼らは、調べたすべての微生物で発生し、おそらく生命の始まりからほとんど変化していない402の反応を特定しました。これらには、遺伝子分子 RNA と DNA の塩基が作成される化学反応だけでなく、20 種類の必須アミノ酸、18 種類のビタミンの形成と処理、およびタンパク質の構築のための代謝経路も含まれます。
研究チームによると、これら402の反応のネットワークは、調べたほぼすべての生物で保存されており、それがすべての生命の最後の共通祖先（最後の宇宙共通祖先、LUCA）にも存在していたことを示唆しているという。分析では、これらの反応が、例えば熱水噴出孔に豊富に存在する水素、二酸化炭素、アンモニアなどの基本的な原料に依存していることも明らかになった。しかし、これは初期の代謝反応に必要なエネルギーがどこから来たのかという疑問を引き起こします。
追加のエネルギーは必要ありません
「駆動エネルギーがどこから来たのかについては多くの憶測があった。しかし、代謝そのものを調べた人は誰もいませんでした」とウィマー氏は言います。しかし、彼女と彼女のチームはまさにそれを実行しました。彼らは、複雑なコンピューター モデルを使用して、ギブズ エネルギーとしても知られる自由エネルギーに基づいて、402 の各反応のエネルギー バランスを調べました。ただし、反応が外部から追加のエネルギーを吸収することなく自発的に起こるかどうかは、環境条件によって異なります。したがって、研究チームは、出発物質の異なる pH 値、温度、濃度で反応を実行しました。結果: おそらく最初の代謝反応にエネルギー的に最適な条件は、pH 9 付近のアルカリ性 pH 値の範囲内で、摂氏約 80 度の温度でした。さらに、CO2 の固定を助けるために水素が存在する必要があります。 「代謝にCO2を導入するために水素が必要となるため、水素なしでは何も機能しません」とウィマー氏は説明します。
ただし、これらの条件が満たされる場合、調べた反応の大部分は追加のエネルギー入力なしで起こり、場合によってはエネルギーを放出することさえあり、それが次の反応を引き起こします。 「これは興味深いことです。なぜなら、複雑な代謝が、適切な条件下で自然に発達する自然な傾向を突然明らかにするからです」と、デュッセルドルフ大学の主任著者ウィリアム・マーティン氏は述べています。したがって、原始代謝自体が生命の最初の始まりの内部エネルギー源として機能した可能性があります。 「私たちは、生命の起源のエネルギーが本質的に純粋に化学的なものであることを示しました。太陽光も、隕石も、紫外線も必要ありません。必要なのは、水素と二酸化炭素、そしてアンモニアと塩だけです」とウィマー氏は言います。
最初の細胞は、まさにこれらの成分を深海の高温のアルカリ性の噴出孔で見つけた可能性があります。 「この環境は、中部大西洋の海底山脈であるアトランティス山塊の『ロストシティ』熱水地帯で見られる環境と正確に一致しています」とマーティン氏は説明する。したがって、研究チームの結果は、海底のそのような温泉が生命の出現に重要な役割を果たした可能性があるという仮定を裏付けるものである。
出典: Jessica Wimmer (Heinrich Heine University Düsseldorf) et al.、Frontiers in Microbiology、 doi: 10.3389/fmicb.2021.793664
