「宇宙になぜ生命があるのか」 戸谷友則 2023年 ブルーバックス
宇宙物理の研究者が書いた生命起源の本。物理観点の「生命」の解説が、簡潔で斬新です。面白かった〜〜〜！！ 以下は、この本の要約と引用です。＊はWeb検索の結果です。
《序章》
生命の起源について、わかっていることはほとんどない。
《1．生命とは何か》
代謝の観点から生命を定義するなら、「膜などの境界によって外界から区別され、外界から取り入れた種々の物質を代謝しているシステム」ということになる。
自己複製が「完璧」であれば、生命はいつまでも進化しない。自己複製に基づいて生命を定義するなら、ラバは生命ではないことになる。生命とは個体ではなく、進化する集団として捉えるべきものである。
ＮＡＳＡによる定義は、「生命とは、自然選択により進化する自立した化学システム」である。生命も最小の定義は、自己複製し、変化するもの、となる。
触ったときに熱いとか冷たいとか感じるのも、温度に差があることによりエネルギーの流れが生じているからだ。
∆Ｓ＝∆Ｅ/(ｋＴ) Ｓ：エントロピーの増加量 Ｅ：エネルギー Ｔ：温度
温度が異なる２つの系が平衡状態になると、エネルギーは変わらないがエントロピーは増える。
ある系からエネルギーを取り去れば、エントロピーも減少する。個体の結晶はそのようなものだ。
生命は、エネルギーを外から取り込んで、エネルギーの高い状態でありながら、低エントロピーの状態を実現し、維持している。
エントロピー増大の法則が成立するのは、外界から遮断された孤立系においてである。外界とエネルギーやエントロピーのやりとりをしている系では、局所のエントロピーが減少することもある。
「既にある秩序の維持」と「新たな秩序の生成」。エネルギーが高い状態から低い状態に移行する途中に、高いエネルギー状態の障壁がある。秩序の維持の理由は量子力学で説明できる。地球生命の場合、新たに細胞を作り出す秩序の源はＤＮＡである。
《2．化学反応システムとしての生命》
生命物質の大部分は蛋白質。アミノ酸は、アミノ基とカルボキシ基を持つ有機化合物の総称。アミノ基は、-ＮＨ2。カルボキシ基は、-ＣＯＯＨ。アミノ基とカルボキシ基を直接くっつけたものはグリシン。１つのアミノ酸は２本の腕を持っていて、それぞれが他のアミノ酸と結合している。
20種類のアミノ酸がどのような順番で結合するかによって、並び方に応じた多種多様な立体構造をとる。
生体内では、低い温度で有機物が燃焼し、エネルギーが生み出されている。これを可能にしているのが蛋白質からできた「酵素」である。
核酸(ＤＮＡとＲＮＡ)は、蛋白質の設計図。ヌクレオチドは、糖を中心にして、核酸塩基(塩基)とリン酸基がくっついたものである。核酸で用いられる糖は、ＲＮＡではリボース、ＤＮＡではデオキシリボース。デオキシは「酸素を欠いた」という意味。デオキシリボースは、リボースより酸素原子が１つ少ない。
リン原子Ｐの周りに酸素原子が４つ結合したリン酸は、多数のヌクレオチドを一列に結合させる。
核酸に含まれるリン酸基は、１つのヌクレオチドに１つだけである。リン酸基が連なったものは、高エネルギーリン酸基。塩基がＡ(アデニン)で、リン酸が３つ連なったヌクレオチドはアデノシン三リン酸(ＡＴＰ)。
アミノ酸の立体構造は、鏡像となるＤ型(右巻き)とＬ型(左巻き)の光学異性体がある。生体内ではＬ型のみを用いる。ＤＮＡはＤ型のみである。
生体膜は両親媒性を持つリン脂質でできている。親水基と疎水基を併せ持っている。外側に親水基、内側に疎水基を向けて並ぶ。
水は宇宙の中で豊富に存在する物質である。水はユニークな特徴を持つ。水分子の構造は、共有結合による。酸素は電子を引きつける力が特に強く、水分子は極性を持つ。水分子どうしが電気的に引き合い（水素結合）、水分子間に引力が働く。それが水分子の「動きにくさ」となる。そのために「比熱」が大きくなる。水を主成分とする生物の温度は変化しずらいため、生命を安定して維持するのに適している。
水分子が極性を持っていたため、様々な原子がイオン状態になって水に溶けやすい。無機塩類(ミネラル)は様々な化学反応を補助している。リン脂質の両親媒性も、水分子が強い極性を持つゆえに生じる性質である。
氷は水よりも密度が低い。水は水分子が動き回って、極性による引力のために密度が高くなる。氷になると、水分子は整然と並んで動かない状態となり、分子間の隙間がかえって大きくなる。
ＤＮＡの２本鎖をつなぐのは水素結合。細胞分裂の際のＤＮＡの正確な複製を可能にしている。有性生殖の場合、染色体には父親由来と母親由来の遺伝情報が含まれている。３つの塩基の並びをコドンと呼ぶ。人のＤＮＡには約２万の遺伝子。蛋白質の種類は10万。複数の蛋白質を指定する遺伝子がある。
父親と母親のどちらかに由来する遺伝子が発現することが多い。発現する方を優性(顕在)という。
ＤＮＡの情報はＲＮＡに転写され（mRNAがアミノ酸の結合の鋳型となる）、リボゾームで蛋白質に翻訳される（tRNAがアミノ酸を運ぶ）。ＤＮＡも蛋白質も１本の鎖。鎖を繋げていくには外からエネルギーを与える必要がある。エネルギー源はヌクレオチドについている高エネルギーリン酸結合である。結果として、エントロピーは増大する。
《3．多様な地球生命とその進化史》
地球上の生物は全て共通の遺伝子コードを利用している。１つの共通祖先から進化したと考えられる。
原核生物と真核生物。原核生物は10マイクロメートル、真核生物は100マイクロメートル。原核生物は、真核生物の細胞内小器官の大きさに近い。
生化学での発酵は、酸素を使わずに有機物を分解してエネルギーを得る過程を指す。これらの細菌は従属栄養細胞。独立栄養細胞は、光合成を行うシアノバクテリア。化学反応で生じるエネエルギーを使って有機物を合成する化学合成細菌（硝酸菌、硫黄菌など）、が存在する。
原核生物には細菌と古細菌が含まれる。古細菌は、細胞膜の脂質が細菌や真核生物のものと異なっている。古細菌は極限環境で生きるものが多く、高温環境で生きる超好熱菌や、酸素の無い嫌気環境でメタンを生成しながら代謝しているメタン生成菌などがある。
真核生物には、菌類、動物界、植物界、原生生物（アメーバーやミドリムシ）のカテゴリーがある。動物界には、刺胞動物（クラゲやサンゴ）、環形動物（ミミズ）、棘皮動物（ウニやヒトデ）、軟体動物、甲殻類、節足動物（昆虫など）、脊椎動物が含まれる。
現在の地球上の生物の総質量は４兆億トン。地球質量の15憶分の１。植物が最も多く、82％を占める。細菌が12％。動物は0.36％を占める。動物の中で最も多いのは節足動物で、60％を占める。
ウィルスのゲノムサイズは、1000塩基対が最小。最初の生命細胞が誕生する前に、寄生するウィルスが存在したとは考えられない。ウイロイドは、ウィルスよりゲノムサイズ小さい。最小のゲノムサイズは200塩基ほど。短い環状のＲＮＡのみで形成され、植物に感染する。
ＲＮＡは触媒として代謝に関わる。蛋白質でできた酵素（エンザイム）に対してリボザイムと呼ぶ。
酸素は他の物質と化学反応して燃焼させる。燃焼すれば酸素は消費され、発生したエネルギーは散逸してしまう。エントロピーが増大する自然な方向である。光合成生物は太陽光のエネルギーを利用して、酸素を生み出す。
32億年前から海中のシアノバクテリアによって生成された酸素は、鉄イオンと反応して酸化鉄となり、海底に沈殿し縞状鉄鋼層となる。25憶年前から酸素は大気中に放出される。真核生物が登場する。酸素を使ってエネルギーを得るミトコンドリアを取り込んだ生物が生まれる。真核生物が登場して間もなく、有性生殖が始まる。有性生殖を行うためには、２セットのＤＮＡを持ち（２倍体）、それを染色体という形で細胞内で区別しなければいけない。ＤＡＮが染色体という明確な構造をとる真核生物にしかできないことである。
多細胞生物が登場したのは、10億年以降。５億年前には大気中の酸素濃度が現在の水準に近づく。ここでカンブリア爆発が起こった。地球大気の成層圏まで達した酸素分子は、太陽からの紫外線と反応してオゾン層を作った。陸上でも生物が生存可能になった。多細胞生物になったことで生物が獲得できる形態の多様性が高まった。有性生殖で多様な遺伝情報を持つ子孫が生み出されるようになった。
生命は地球の構成要素の一つである。有機物は、燃やせばエネルギーを取り出せる「燃料」。生命は太陽エネルギーを光合成によって燃料に変えた。鉄、石灰石、石炭、石油などは、生命活動に起因している。
最初の全球凍結は23憶年前。直後に真核生物が誕生した。二度目の全休凍結は７億年前。直後にカンブリア大爆発が起きる。地球最大の大量絶滅はベルム期末(２億５千年前)。その後も生き残った生物種は繁栄した。環境の激変が生物進化を加速させる。人間社会の進化にも共通している。
《4．宇宙における太陽と地球の誕生》
質量の本質はエネルギーである。質量が零の粒子は光速で運動する。質量があると、その粒子と一緒に運動する人から見れば、粒子は止まって見える。粒子が静止しているにもかかわらず、その粒子はエネルギーを持つ。それが質量である。［Ｅ＝質量Ｅ＋運動Ｅ］重力源として最も大きなものは暗黒物質。暗黒物質は集まってハローと呼ばれる天体を形成する。
＊ 暗黒物質ハロー （by Bard）
暗黒物質が自己重力で集まって形成された、球形または楕円形の天体。銀河や銀河団の周囲に存在し、その質量の大部分を占めていると考えられています。
暗黒物質は、電磁波を放出しないため、直接観測することはできません。しかし、星やガスの運動を観測することで、暗黒物質の存在とその性質を推測することができます。
例えば、渦巻銀河の平坦な回転曲線は、暗黒物質ハローの存在を示す証拠の一つです。渦巻銀河の星やガスは、銀河の中心から遠ざかるほど速度が遅くなるはずですが、実際には速度がほぼ一定に保たれています。このことから、銀河の中心から遠くにまで暗黒物質が広がっていると考えられています。
暗黒物質ハローの形状や大きさは、銀河の種類や大きさによって異なります。小さな銀河では、暗黒物質ハローは銀河の半径の10倍程度の大きさですが、大きな銀河では、半径が数百万光年にも達することがあります。
暗黒物質ハローは、銀河の形成や進化に重要な役割を果たしていると考えられています。暗黒物質ハローに引き寄せられたガスが、星やガス雲の形成につながり、銀河の誕生と成長を促進しています。また、暗黒物質ハローの重力は、銀河の形状や運動に影響を与えています。
鉄は最も安定した元素。重い恒星の中心部には鉄でできたコアが形成される。ニュートリノは中性子星の外層もやすやすと通り抜けるので、中性子星内の殆どのエネルギーを持ち去ってしまう。
惑星の運命は主に太陽からの距離によって決まる。雪線は、太陽の熱で水が気化してしまうか、太陽から遠いために氷となるか、その境界である。太陽系の雪線は、火星と木星の間にある。火星より内側の惑星は岩石惑星。木星や土星はガス惑星。雪線の外側では、大量の氷も含むようになる。天王星や海王星は氷惑星である。
雪線の内側にはガスをまとっていない岩石惑星ができ、ハビタブルゾーンが存在する。水が液体として存在できる領域である。惑星の表面温度は、惑星大気の温室効果などにも依存する。
月の存在によって地球の自転は安定している。地球に月が無かったら大規模な気候変動が繰り返されたはずである。
《5．原子生命誕生のシナリオ》
雪線の内側で形成された微惑星は水を含まない。それが集合してできた岩石惑星にも水は存在しない。有力な説は、小惑星や彗星からもたらされたというものである。
有機物の名称（オーガニック マター）は、生物（オーガニズム）からきています。有機物を作る上で酸素は大敵。酸素と反応すれば、炭素と水素は二酸化炭素と水に変わる。雪線の内側の岩石惑星の大気は溶けたマグマから気化してできたもの。二酸化炭素や窒素酸化物など、酸化的なものである。
地球生命の進化系統樹の根に近いところには、超高熱菌が多い。50℃以上の高温でも生息できる微生物を好熱菌という。80℃以上の高熱に耐えられるものを超好熱菌と呼ぶ。マグマオーシャンが固まって陸地ができたばかりの地球でも生きていける可能性がある。
地球上では他の物質と反応して失われてしまうような有機物質も、星間空間には存在し得る。探査機「はやぶさ２」が小惑星「りゅうぐう」から採取したサンプルからも、数十種類のアミノ酸が見つかった。微小な隕石は、大気圏に突入してもあまり高温にならずに地表に到達する可能性がある。
原始の地球には紫外線を遮断するオゾン層はなく、蛋白質や核酸を破壊してしまう。地球が誕生してから５億年で地球に生命が現れる。地球外の生命が原始地球に降ってきたのであればこの問題は解決する。
アミノ酸とＤＮＡの光学異性体。ＤＮＡは右巻き、アミノ酸は左巻き。
実験室で確認される「活性を示すＲＮＡ」の最小の長さは100塩基対ほど。
生命が持つ基本要素、遺伝・代謝・膜。代謝は最初から備わっていると考えるのが自然である。両親媒性の分子が水中に多数存在すると、疎水性をなるべく水に触れさせないように集まって、自然に膜状の構造をとる。一つの安定な存在形態として膜が球状の構造をとり、球の外と内側は水が満ちているものが考えられる。さらには、細胞分裂のような現象も起こりうる。２つの球状の小胞に分裂する。そんな現象は実験でも確認される。
ＲＮＡワールド。一本鎖のＲＮＡは生体内の化学反応を促進する。酵素として働くリボ核酸（リボザイム）である。ＲＮＡだけで生命維持に必要な代謝と自己複製を行うことができる。リボゾームは、全ての地球生命に共通して、ＲＮＡの遺伝情報に基づいて蛋白質を組み立てる。リボゾームの中心部はＲＮＡでできている。リボゾームもリボザイムの一種である。
ＲＮＡでできた生命が誕生し、進化が始まった。蛋白質の方が様々な酵素を作ることができる。ＤＮＡは高い情報保持機能を持つ。
ＲＮＡワールドの立場に立てば、生命誕生のシナリオが描ける。その場所は不明だけれど。
《6．宇宙に生命は生まれるか》
太陽の明るさは一定ではなく、少しづつ明るくなっている。ヘリウムは水素より重いため、中心部にたまり重力が強まる。中心部はより高温となり、核融合反応がより活発に起こる。
原始生命は地球誕生からほどなく現れ、地球に生命が住めなくなる少し前に人類が進化した。
ドレイクの式は、知的生命体が文明を発展させた惑星がいくつぐらいあるのかを見積もるためのもの。地球外知的生命体からの電波通信信号を探すＳＥＴＩ計画のために1961年に提示された。
粘土鉱物粒子の表面には、ヌクレオチドが規則的に並びやすい。粘土表面でＲＮＡが伸長していく。それが、水溶液中に戻れば、そこには自らを複製するために必用なヌクレオチドが豊富に存在する。
限られた遺伝子配列だけが、生命としての活性を持つ。そのような配列が生じる確率は極めて低い。
フレッド・ホイルは定常宇宙説を提唱した。無限の過去から無限の未来まで一定のペースで膨張し続ける。物質濃度が薄まらないために、常に新たな物質が生み出される。
《7．宇宙はどこまで広がっているか、そこに生命はいるか》
観測可能な宇宙の大きさは、宇宙全体の大きさとは無関係。138憶年というのは、我々が見ることができるというだけの話である。
インフレーション理論によって、宇宙の大きさを推定することができる。真空のエネルギーは斥力の性質を持ち、宇宙の加速膨張を説明できる。
観測可能な宇宙は、インフレーション宇宙全体に比べれば、微小な存在にすぎない。このインフレーション宇宙全体なら、ランダムな化学反応であっても原始生命を作ることはできる計算になる。
《8．地球外生命は見つかるか》
地球外生命が見つかる可能性は極めて低い。
この地球上に生まれた人の総数は、1000憶人と見積もられている。
地球では様々な種類の岩石に様々な鉱物が含まれる。この多様性は生命のためだ。地球と生命は共進化してきた。
