生命の起源：化学が実際に示すもの
微調整論証は、宇宙が生命のために調整されていることを示します。しかし、それとは別の、さらに難しい問いがあります。正しい定数を持つ宇宙がいったん存在したとして、生命のない化学物質はどうやって最初の生きた細胞になったのでしょうか。ライス大学の化学者ジェームズ・トゥアーは、世界を代表する合成有機化学者の一人ですが、正直な答えは「誰にもわからない」だと論じています。
なぜこの問いが重要なのか
生命の起源は、「生命の自然発生（アビオジェネシス）」あるいは「化学進化」とも呼ばれ、最初の生きた細胞が生命のない化学からどのように生じたのかという問いです。これを生物進化と区別することが重要です。ダーウィンの自然選択による進化論は、すでに存在する生命がどのように多様化するかを説明します。それは、生命がそもそもどのように始まったかを説明するものではありません。ダーウィン自身も、説明していないことを認めていました。
これは小さな隙間ではありません。最初の細胞がなければ、自然選択が働きかける対象が何もないのです。生命の起源は、その後のすべての生物学が立脚する土台です。そしてそれは、どのように正直に評価しても、科学における未解決の問題のままなのです。
ライス大学の T.T. and W.F. Chao 化学教授であるジェームズ・トゥアーは、700 以上の査読付き論文と数百件の特許を持っています。彼は世界で最も引用される化学者の一人です。彼の専門は複雑な分子をゼロから組み立てることであり、それが彼に、生命が自ら組み上がるためには何が必要かについての独自の視点を与えています。
五つの未解決問題
生命には四種類の複雑な分子が必要です。アミノ酸（タンパク質のため）、ヌクレオチド（DNA と RNA のため）、炭水化物（糖）、そして脂質（細胞膜のため）です。トゥアーは、生命の起源研究が解決していない五つの根本的な問題を特定しています。
- 1ポリペプチドの形成。アミノ酸はどのようにして正しい結合でタンパク質の鎖につながるのでしょうか。実験室では、化学者は注意深く制御された条件と保護基を用います。初期の地球では、アミノ酸は間違った結合を作るか、ランダムに架橋するか、分解していたはずです。機能するタンパク質の鎖を生み出す、もっともらしい前生物的機構は存在しません。
- 2ポリヌクレオチドの形成。ヌクレオチドはどのようにして、誤った連結が 2% 未満の RNA や DNA の鎖につながるのでしょうか。ヌクレオチドを連結する化学は、悪名高いほど困難です。精製された出発物質と専門家の介入があってさえ、収率は低く、誤り率は高いのです。
- 3多糖の形成。グルコースのような単純な糖はどのようにして正しい向きでつながるのでしょうか。糖は化学的に壊れやすく、反応性が高く、生物学が必要とする秩序ある鎖ではなく複雑な混合物を形成します。
- 4特定された情報。たとえアミノ酸、ヌクレオチド、糖の鎖を作れたとしても、それらはどのようにして正しい配列を含むのでしょうか。機能するタンパク質とランダムなアミノ酸の鎖との違いは、意味の通る文とランダムな文字の羅列との違いのようなものです。その情報はどこから来るのでしょうか。
- 5細胞の組み立て。たとえ四種類の分子すべてが正しい形で存在したとしても、それらはどうやって機能する細胞へと組み上がるのでしょうか。生きた細胞は化学物質の袋ではありません。それは、膜、分子機械、エネルギー系、情報処理の構造がすべて協調して働く、驚くべき複雑さを持つ統合されたナノシステムなのです。
2023 年、トゥアーは生命の起源研究の第一線に立つ 10 人の研究者に対し、60 日間の公開の挑戦状を出しました。この五つの問題のうちどれか一つでも解決されたことを、非現実的なほど有利な条件のもとでよいから示してほしい、というものです。彼は、精製された出発物質と正しいキラリティを仮定することを認め、さらに 10 人の専門家の中から選ばれた 3 人の審査員に結果を判定させることまで認めました。期限は、どの研究者も一つの挑戦にすら答えようとしないまま過ぎました。jmtour.com
キラリティの問題
最も深い化学的障害の一つは、特別に注目に値します。生体分子のほとんどはキラリティを示します。つまり、互いに鏡像の関係にある「左手型」と「右手型」の二つの形で存在するのです。生命は、ほぼ例外なく左手型のアミノ酸と右手型の糖を用います。タンパク質の鎖の中に、間違った手の分子が一つ混じるだけで、その機能は失われかねません。
既知のあらゆる前生物的合成は、左手型と右手型の分子を 50 対 50 の混合物として生み出します。生命が必要とするほぼ 100% の純度を達成する前生物的機構は、実証されたことがありません。トゥアーは、配列や折りたたみや組み立ての問題に到達する以前に、この問題だけで生命の自然発生を足止めするのに十分だと指摘しています。
ミラー＝ユーリーの実験：実際に示されたこと
1953 年、スタンリー・ミラーとハロルド・ユーリーは、初期地球の大気を模した気体の混合物に電気火花を通してアミノ酸を生成したことで、広く知られるようになりました。この実験は、生命の構成要素が自然条件のもとで容易に形成されることの証拠として、教科書に決まって引用されています。
教科書がしばしば省いていること。
- 1間違った大気。ミラーは還元性の大気（メタン、アンモニア、水素）を用いました。現在の地球化学者は、初期地球の大気は主に二酸化炭素と窒素からなっていたと考えています。これはアミノ酸の生成量がはるかに少なくなる条件です。
- 2単純なアミノ酸だけ。この実験は、最も単純なアミノ酸を数種類生み出しました。生命が必要とする複雑なアミノ酸も、ヌクレオチドも、糖も、脂質も生み出しませんでした。
- 3生成物はタールだった。主な生成物は、複雑でべたつく手に負えない混合物、「有機物のどろどろ」であって、細胞が必要とする精製された構成要素ではありませんでした。トゥアーが強調するように、タールの海の中に数種類のアミノ酸を得ることは、ごみ埋立地で数個のレンガを見つけて、エンパイア・ステート・ビルの説明がついたと宣言するようなものです。
- 4構成要素は建物ではない。たとえ必要な分子がすべて現れたとしても、それを機能する細胞に組み立てることは、理解を超えるほど困難な別の問題です。トランジスタの山を持っていることと、動作するスマートフォンを持っていることの違いのようなものです。
トゥアーが論じていること、論じていないこと
トゥアーの立場を正確に押さえておくことが重要です。
- ✓彼が論じているのは、現在の生命の起源研究は、生命のない化学がどのように生きた細胞になったかという問題を解決しておらず、解決に近づいてもいない、ということです。実証されたことと必要とされることとの間の隔たりは、途方もなく大きいのです。
- ✓彼が論じているのは、生命の起源科学の現状について、一般の人々が誤った印象を与えられてきた、ということです。大衆メディアや一部の教科書は、この問題をほぼ解決済みであるかのように提示していますが、どのように正直に化学的に評価しても、そうではありません。
- ✓彼が論じているのは、最も単純な細胞の複雑さでさえ、導かれない化学を超えて知的な源を指し示している、ということです。
- ✗彼が論じていないのは、科学は探究をやめるべきだ、ということです。トゥアーは研究の継続を明確に奨励しています。ただし、現在の知識の状態について知的に正直であるべきだ、と。
- ✗彼が論じていないのは、生物進化（すでに存在する生命の多様化）への反対です。彼の批判は、もっぱら化学進化、すなわち最初の生命の起源に向けられています。
このレッスンが提示してきたことのすべて、すなわち五つの未解決問題、キラリティの障害、構成要素と生きた細胞との間の隔たりは、ジェームズ・トゥアー自身の研究に由来しています。この 1 時間の対談で、トゥアーは自らの言葉で論拠のすべてを語り、合成化学者として、生命の分子がなぜ自ら組み上がらないのか、そして一般の人々がなぜ化学の裏付けよりはるかに楽観的な生命の起源研究の像を与えられてきたと彼が考えるのかを説明します。動画の率直なタイトルは、この最後の告発を反映したものです。上のレッスン各セクションは、トゥアーが何を主張し何を主張していないかについての正確で慎重な説明を与えていますから、視聴の際にはそれを念頭に置いてください。
ジェームズ・トゥアー博士、生命の起源について · Daily Dose of Wisdom ポッドキャスト · YouTube で視聴する · jmtour.com · この動画は英語です。YouTube の字幕ボタンから日本語字幕を表示できます。
トゥアーはこう書いています。「科学者が前生物的化学の諸問題を理解していると思っている人は、まったくの誤解をしている。誰も理解していない。いつの日か理解できるかもしれない。しかしその日は、今日からは程遠い。」さらに彼はこう続けます。「アミノ酸、ヌクレオチド、糖類、脂質に基づく生命は、異常な存在だ。生命は、私たちの宇宙のどこにも存在すべきではない。それなのに私たちは、38 億年前に必要な化合物がどこかの洞窟か海底の熱水噴出孔にあって、どういうわけかそれらが自ら最初の細胞へと組み上がったのだと信じ込まされている。」
よくある反論
「十分な時間があれば、ありそうにない化学反応でも必ず起こる。生命には数十億年の時間があった。」
時間は必要条件ですが、十分条件ではありません。問題は単なる確率の低さではなく、必要とされる化学が生命に逆らって働くことです。水の中では、生体分子は組み上がるのではなく分解する傾向があります。時間が長くなれば、進展が増えるのではなく、分解が増えるのです。トゥアーが強調するように、初期の地球で形成されたアミノ酸の鎖は、原始細胞にたどり着くはるか前に加水分解（分解）していたはずです。時間は前生物的化学の味方ではなく、敵なのです。
「トゥアーはナノテクノロジーの研究者であって、生命の起源の研究者ではない。専門外だ。」
生命の起源研究は有機化学です。複雑な有機分子がどのように形成され、組み上がったかを問うものです。トゥアーはまさにその分野、すなわち複雑な分子をゼロから合成することにおいて、世界屈指の専門家です。生命が必要とするまさにその種類の分子を組み立てる彼の専門性は、提案されている前生物的経路が化学的にもっともらしいかどうかについて、直接的で関連性のある権威を彼に与えています。問題は誰が論じているかではなく、その化学が正しいかどうかです。
「科学がまだ解明していないだけだ。時間をかければよい。」
これはもっともな指摘です。科学は進行中です。しかしトゥアーの論証は「決して解明できない」というものではありません。彼の論証はこうです。（1）現在の知識の状態は、一般に伝えられているよりはるかに未熟である。（2）細胞の複雑さについて学べば学ぶほど、問題はより難しくなる（ゴールは近づくのではなく、遠ざかり続けている）。（3）今この時点での正直な結論は、導かれない化学が生命を生み出すことは実証されておらず、隔たりは狭まるどころか広がっている、というものである。
- 生物進化と化学進化の違いは何でしょうか。トゥアーの批判はなぜ後者にだけ当てはまるのでしょうか。
- キラリティの問題は、なぜ前生物的化学にとってこれほど壊滅的なのでしょうか。解決策は何を実証する必要があるでしょうか。
- トゥアーは、細胞について学べば学ぶほど生命の起源の問題は難しくなると強調します。これはなぜ重要なのでしょうか。
- 生命の起源が現時点で導かれない化学によって説明できないとしたら、どのような選択肢が残るでしょうか。「まだわからない」は「答えは存在しない」と同じでしょうか。
ジェームズ・トゥアーはなぜ、ミラー＝ユーリーの実験は生命の起源を説明するのに不十分だと論じるのでしょうか。
生命の起源は、科学全体の中で最も深い未解決問題の一つであり続けています。世界屈指の合成化学者であるジェームズ・トゥアーは、現在のどの生命の起源モデルも、五つの根本的な化学的問題のうち一つすら解決していないことを示してきました。ミラー＝ユーリーの実験は決まって過大評価されています。キラリティの問題だけでも致命的です。そして細胞の複雑さについて学べば学ぶほど、導かれない化学が生み出せるものと、最も単純な生命でさえ必要とするものとの間の隔たりは、ますます広がっていくのです。