水素は未来のエネルギーの形と考えられています。しかし、ガスの使用は人間の発明ではありません。初期の地球で生命が誕生したときでさえ、水素は最初の細菌細胞にエネルギーを提供しました。研究者たちは現在、何がこのプロセスを可能にしたのかを解読しました。したがって、熱水噴出孔におけるいくつかの好ましい反応条件は、水素分解の化学的に複雑なプロセスを開始するのに十分であった。
水素 (H2) は「クリーンな」燃料です。このガスは空気中の酸素とともに燃焼し、温室効果ガスCO2を発生させずにエネルギーを供給します。したがって、気候危機を考慮すると、水素は将来の持続可能なエネルギーの鍵と見なされています。対応するインフラストラクチャは現在、それに応じて拡張されています。しかし、私たちが最近発見したことは、細菌が長い間知っていたことです。先史時代の地球上の最初の細胞は、生命のさまざまな構成要素を生成するための燃料およびエネルギー供給源として水素を使用していました。当時、ガスは今日でも深海で発生している熱水噴出孔から来ていました。これらの温かい温泉には光や酸素はなく、水素の形を含む化学エネルギーが存在します。
水素はどのように分解するのでしょうか？
地球上の最初の細胞がどのようにして水素をエネルギー源として使用するようになったのかは、まだ不明です。デュッセルドルフのハインリヒ・ハイネ大学のマックス・ブラベンダー率いるチームは現在、これをより詳細に調査している。これを行うために、研究者らは以前の研究ですでに知られている化学プロセスに注目しました。水素からエネルギーを得るために、細胞はまず H2 分子を分割し、特別な方法でその電子対を共有する必要があります。これにより、電子はエネルギー的に「上り坂」に輸送されます。 「それは、川に下り坂ではなく上り坂に流れるように頼むようなものです」とブラベンダーは説明します。
細胞は、水素中の 2 つの電子を別々の経路に送ることでこの問題を解決します。一方の電子から十分なエネルギーが除去され、もう一方の電子がより高いエネルギー状態に移動できるようになります。このプロセスは電子分岐と呼ばれます。今日の細胞には、このプロセスのためのいくつかの金属含有酵素と有機補因子があり、フェレドキシンと呼ばれる鉄含有分子に電子を輸送します。フェレドキシンは電子伝達体として機能し、分裂を可能にします。しかし、そのような酵素や補因子は先史時代の地球にはまだ存在していませんでした。
進化の初期の細胞は、代わりにどのようにしてこの精力的な上向き反応を達成したのでしょうか? 「環境がどのようにして電子をフェレドキシンまでエネルギー的に上昇させたのかについては、いくつかの異なる理論が提唱されています」とデュッセルドルフ・ハインリッヒ・ハイネ大学の主任著者ウィリアム・マーティン氏は言う。研究チームは現在、室内実験を使用してこれらの理論を検証しています。
アルカリ環境と鉄により電子伝達が可能
分析の結果、多くの熱水噴出孔で一般的な pH 値 8.5 では、実際には水素を分解するのに酵素は必要ないことがわかりました。しかし、ブラベンダーらの報告によれば、アルカリ環境に加えて鉄も必要である。 「その後、H2 の H-H 結合が鉄表面で分裂し、プロトンを生成します。プロトンはアルカリ水によって消費され、電子はフェレドキシンに直接転送されます」と共著者であるマックス プランク大学のヴォルフガング バッケル氏は説明します。 . マールブルクの陸生微生物研究所（MPI）。研究者らの報告によると、摂氏40度でのこのプロセスにはほぼ4時間かかったという。これは今日の酵素で可能であるよりも大幅に遅いですが、水素は基本的にこれらの生化学的触媒なしで使用できることを示しています。
「私たちは、これ以上に単純で、熱水噴出孔の自然条件下で機能するプロセスを特定しました」とマーティン氏は言います。 「これは、そのような環境で生命が誕生したという理論とよく一致します」と共著者であるデュッセルドルフ大学のナタリア・ムルンジャヴァツ氏は付け加えた。 「このような単純な化学反応は、進化の複雑なプロセスに対する私たちの理解における重要なギャップを埋めることができます。」
しかし、そのプロセスに必要な鉄は地球上のどこから来たのでしょうか?分析でも示されたように、熱水噴出孔からの水素ガスは、天然に存在する鉄含有鉱物を金属鉄に変換します。水素がこれを可能にするという事実自体は新しい発見ではない、と共著者であるマックス・プランク石炭研究所ミュルハイムのハルン・テュイスズ氏は言う。化学産業の多くのプロセスでは、鉱物を金属に変えるために水素が使用されていました。 「しかし、驚くべきことは、これが自然界でも、特に熱水噴出孔で起こり、この自然に堆積した鉄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ことです」とテュイスズ氏は言う。
出典: Max Brabender (デュッセルドルフ ハインリッヒ ハイネ大学) 他、PNAS、 doi: 10.1073/pnas.2318969121
