偶然か、必然か？
地球生命が「水」という環境で生まれた
理由を物理学的に考えると
地球外生命は存在するのか？
この究極ともいえる問いを
「原始生命の発生確率」そして
「最新の宇宙研究の成果」をもとに
考察していく話題の新刊
本書では、
宇宙物理学者である著者が、
有機物からRNA、DNAの合成、
そして原始生命の誕生について考えながら、
138億年のわれわれの宇宙において、
現在考えられているさまざまな理論をもとに、
それが「奇跡」だったのかを検証していきます。
水は生命体の中で最大の割合を占める
生命体の中で最大の割合を占める物質は
タンパク質ではなく、実は水である。
細胞に必須である生体膜も、
両親媒性（分子内に水と親和性の高い部分
「親水基」と親和性の低い部分「疎水基」を
持っていること）という水に
関する性質を利用して膜として存在できる。
この水もまた、
すべての地球生命に必要不可欠なものであり、
核酸やタンパク質、
そしてそれらの活動も水の存在が大前提である。
地球上の乾ききった場所にも生命は存在し、
それらは一見、
水がなくても生きているように思える。
だが例外なく、
水がまったくない環境では地球生命は活動できない。
乾いた環境に進出した生命は、
生命維持に必要な水を体内に
蓄えられるように進化した結果であり、
その点、
酸素ボンベを持って宇宙空間に進出した
人類と同じである
（ちなみに酸素は、すべての生命にとって
必要不可欠ではなく、
酸素が猛毒となる生物もいる）。
水はまた、
生命の体に不可欠な有機物を、
植物が光合成によってつくるための材料でもある。
地球生命が水という
環境で生まれたのは必然か？
では、
地球生命が水という環境の中で
生まれたのは必然だったのだろうか。
地球生命が水を必要とするからといって、
水を必要としないまったく別種の生命体の
存在を否定することにはならない。
宇宙のどこかには、
水をまったく利用せずに生きる生命がいるかもしれない。
地球生命にとって水という物質が
どのような意味を持っているかを検討することで、
この疑問に対する考察を深めることができよう。
まず、
水というのは宇宙の中で豊富に存在する物質である。
周知のとおり、
水分子は1つの酸素原子に
水素原子が2つ結合したものである。
宇宙におけるさまざまな元素の存在量を見ると、
まず最も軽い
（すなわち周期表でトップの）元素である水素、
次いで二番目に軽いヘリウムが多い。
重量比で水素が71 ％、
ヘリウムが27％と、この2つで98％を占めていて、
これらはビッグバンで宇宙が誕生してから
数分以内に、
超高温の宇宙で生成されたものである。
その他のより重い元素は、
ずっと後で恒星の中で合成され、
超新星爆発などでまき散らされたものだ。
その中で最も多い
（つまり全元素の中で三番目に多い）のが、
酸素なのである（質量比で0.9％）。
その意味で、
水は宇宙の中でごく普通に存在する物質といってよい。
「比熱」の大きさが生命維持のカギ
水が液体の状態であるとき、
水分子は周囲の水分子と
ぶつかりあいながらも流動している。
その際、
ある水分子のプラスの部分と
隣の水分子のマイナスの部分が
電気的に引き合う
（水素結合と呼び、共有結合より弱い結合である）。
このため水分子間には引力が働き、
それが水分子の「動きにくさ」となる。
物質にエネルギーを与えると、
分子の運動が活発になる、
つまり温度が上がる。
だが水の場合、
同じエネルギーを与えてもこの
「動きにくさ」のため、
温度が上がりにくい。
言い換えれば、
温度を1度上げるために
必要なエネルギー（比熱）が大きくなる。
この性質は、
地球生命にも大きな影響を与えている。
環境の変化によって周囲の
温度が急激に変わっても、
水を主成分とする生物の温度は変化しづらいため、
生命を安定して維持するのに適している。
京都のような内陸の盆地に比べて、
海洋沿岸部の都市の気温の変化が小さく、
夏涼しく冬暖かいのと同じ理由である。
また、
水分子が電気的な極性を持っているため、
さまざまな金属などの原子が
イオン状態になって水に溶けやすい。
ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、
鉄といった無機塩類（ミネラル）は
さまざまな化学反応を補助しており、
生命に不可欠なものだが、
それが水中に豊富に存在できるのも
極性のおかげである。
生体膜の構造を可能にさせているのは
リン脂質の両親媒性であったが、
これも水分子が強い極性を持つゆえに
生じる性質である。
表面張力という言葉を
聞いたことがある読者も多いと思うが、
水は表面張力が強い。
水分子の電気的極性に由来する引力のために、
なるべく表面積を小さくして密に固まろうという力が生じる。
それが表面張力であり、
水滴が丸みを帯びた形になるのもこの力のためである。
水と親和性が高い壁面を持つ容器に水を入れると、
その壁を伝わって這はい登ろうとする
（毛細管現象）のも表面張力が原因である。
つまり、
植物が毛細管現象を使って水を吸い上げ、
体全体に行き渡らせる上で、
水の強い表面張力は本質的な役割を果たしている。
液体よりも固体のほうが
体積が増える理由
最後に、
水と氷の体積についてふれねばならない。
氷は水よりも密度が低い、
つまり水を凍らせると体積が大きくなり、
そのために氷は水に浮く。
しかし、
このような性質を持つ物質は
実はきわめて稀である。
普通は、
固体のほうが液体でいる状態より
密度が高いのである。
水が液体でいるうちは、
水分子は動き回り、
極性による引力のために密度が高くなる。
このとき、
引力の効果を最大にしようとする結果、
水分子の方向はバラバラになっている。
だが温度を下げて最終的に氷になると、
水分子が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り、
体積が増えるのである。
これは生命にとってどのような
意味を持っているだろうか。
湖や海洋が凍ると、氷は水面に浮かぶ。
水の密度がいちばん高いのは4℃の水であり、
それがいちばん底にたまる。
その結果、
海底や湖底の温度は常に4℃に保たれ、
水面の氷の下で生命の存続が可能となる。
もし氷が液体の水より高密度であれば、
氷は海底や湖底に沈んで埋め尽くし、
その温度は氷点（０℃）をどんどん下回るであろう。
海底や湖底に生きる生命が
食物連鎖の重要な部分を担っているとすれば、
ちょっとした気候変動で海水温が低下するだけで、
生態系は破滅することになる。
このように考えてくると、
地球生命が水の存在を大前提として
生まれたことは実に必然であったと
私には思えてくる。
もちろん、
だからといって水を必要としない、
まったく別の環境で生きる生命体が
宇宙のどこかに存在する可能性を否定することはできない。
しかし、
もしこの広い宇宙に多種多様な
生命があちこちで発生しているとしても、
水を利用する生命はそのなかでも
多数派であろう。
もしそうでなければ、
我々は自分自身を、
水を使わない生命体として発見する確率が高いからだ。
我々が地球外生命を探すときでも、
まずは水の存在を基本に考えることは、
理にかなっているといえよう。
＜参考：文＝ 戸谷 友則＞
１喧嘩はするな、
２意地悪はするな、
３過去をくよくよするな、
４先を見通して暮らせよ、
５困っている人を助けよ、
あなたなら出来ます応援しています
Rupan by サロンディレクターNao
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