金属なくして、
生命の誕生も進化もありえなかった！
鉄やカルシウムが重要なのは常識ですが、
私たちの体内には、
他にもマグネシウムや亜鉛、銅やマンガン、
モリブデンなどの金属元素が含まれています。
これらの金属は、
体内にわずか1%以下しか存在しない
微量元素ですが、
「微量」の名前とは裏腹に、
多種多様で、
きわめて重要な役割を果たしています。
いったいどんな役割なのでしょうか？
そして、「多すぎ」ても「少なすぎ」ても、
体調に異変をきたす理由とは？
生命と金属の奥深い関係を解き明かす
話題の本『生命にとって金属とはなにか』から、
読みどころを厳選してお送りします！
細胞の誕生と金属
地球で生まれた──あるいは、
宇宙からもたらされたかもしれないと考えられる──
始原生命物質は、
なぜ“ひとかたまり”になり、
膜の中に閉じ込められて
原始細胞となったのだろうか?
生命誕生の謎を探る研究において、
最初のブレイクスルーを成し遂げる
とば口を用意したのは、
旧ソ連のアレクサンドル・オパーリン
（1894〜1980年）であった。
オパーリンの「化学進化説」
オパーリンは1936年、
名著『地球上における生命の起源』を出版した。
それ以前には、
生命の起源に関する実験や議論は存在せず、
同書は生命の起源に関する
科学的考察のさきがけを成したと評価されている。
ここで提案されている考え方は、
「化学進化説」「スープ説」あるいは
「コアセルベート説」とよばれている。
化学進化説は最も理解しやすく、
基本的な生命発生のプロセスであるため、
細かなプロセスごとにさまざまな
仮説が提示されている。
オパーリンの生命の起源に関する考察は、
次のようにまとめられる。
【１】原始地球の構成物質である多くの無機物から、
低分子有機物が生じる
【２】低分子有機物は、
互いに重合して高分子有機化合物を形成する
【３】原始海洋は、
低分子有機物や高分子有機化合物の
蓄積が見られる「有機的スープ」である
【４】原始海洋の中では、
形成された脂質が水中で集合し、
超分子集合体「コアセルベート」が誕生する
【５】「コアセルベート」は互いに結合、
分離、そして分裂を繰り返し、
アメーバのようにふるまう
【６】このようなコアセルベートが
有機物を取り込んでいくなかで、
最初の生命が誕生し、
機能的な代謝系をもつものが生き残ってきた
この化学進化説を基盤として、
生命の起源に関するさまざまな考察や
実験が20世紀に展開されることとなった。
細胞膜も金属イオンがつくった？
オパーリンは、
細胞膜の形成までは述べなかったが、
細胞膜の形成についてはまだ多くの
進展はなさそうである。
生命の始原分子が細胞のような膜に
どのようにして閉じ込められたかという
問題はきわめて難しく、
いまだ解明されていない。
細胞膜の起源については、
1997年にM・J・ラッセルとA・J・ホールが
「鉄硫黄膜仮説」を提唱している。
彼らは、原始地球の深海の熱水噴出孔で、
硫化鉄（FeS）の組成をもつ
中空の球状物質がつくられ、
原始細胞膜の役割を
果たしたのではないかと考えた。
初期地球の海洋は熱く（およそ90℃）、
弱酸性（pH5.5）かつ鉄（II）
イオン（Fe²⁺）やニッケル（II）イオン（Ni²⁺）
に富んでいるが、
熱水噴出孔から放出される熱水は
高温（150℃）かつアルカリ性（pH9.0）で、
硫化水素イオン（HS⁻）に
富む還元的な性質であったと考えられる。
このように、
pHも酸化還元状態も異なる熱水と
海水が混ざる領域では球状物質がつくられ、
その内部と外部でpHと電位の勾配ができる。
原核生物の細胞膜の機能にみられるような、
外部の環境に応じて金属原子の酸化状態が
変化する電子移動反応がおこなわれるような
場ができたのかもしれない。
すでに紹介したように、
海底の熱水噴出孔付近には硫化鉱物、
酸化鉱物、ケイ酸塩鉱物、硫酸塩鉱物などが
沈殿した煙突状の岩石「チムニー」が見出されている。
同様の球状物質はチムニーの
化石中にも見つかっており、
実験的にも合成可能なのだという。
この球状物質が細胞膜としての
機能をもっているかどうかはわかっていないが、
細胞膜の形成にも、
金属イオンの関与が指摘されていることは
注目に値する。
脂肪酸とアミノ酸の結合がカギ
さらにもう一つ、
今後の細胞膜形成探究のヒントに
なりそうな実験を紹介しておこう。
脂肪酸などは界面活性剤のような
はたらきをもっているため、
自発的に凝集して膜を形成する性質がある。
これら膜状の物質は、
原始海洋のような高濃度の塩や
金属イオン（マグネシウムなど）を含む
溶液内では不安定で、
簡単に壊れてしまう。
しかし、
脂肪酸とアミノ酸とを結合させた分子で
膜をつくると、
塩や金属イオンが存在していても
溶液中で安定に存在することが見出されている。
また、この溶液を希釈しても
安定に存在することも確かめられた。
このような反応や、
あるいはさらに未知の反応によって
始原生命物質が凝集して互いに反応し、
新しい高分子化合物を合成して、
さまざまな分子を内部に閉じ込めて
膜をもった原始細胞ができたのでは
ないかと考えられる。
膜の内部ではさまざまな化学反応が進行し、
やがて自己複製ができる
RNA（リボ核酸。DNAとともに、
生物の遺伝情報の保存・伝達機能を担う）や
DNAがつくられて、
細胞としての構造と機能が
整っていったのではないだろうか。
チムニーの海水と触れる部分には、
硬石膏（CaSO₄）や石膏（CaSO₄・2H₂O）などの
硫酸塩鉱物が、
またチムニーの内側は閃亜鉛鉱（ZnS）、
黄銅鉱（CuFeS₂）、
方鉛鉱（PbS）なども含まれていて、
現在でも熱水が噴出する海底では
好熱菌が発見され、
またカナダのケベックでは、
海底の熱水噴出孔に生息する
細菌に似た微生物の化石が発見されている。
このような研究結果に基づいて、
およそ40億年前に、
地球上に生命が誕生したと推定されている。
熱水噴出孔の周辺では、貝類、エビ、
チューブワームなどの生物群が確認され、
その総数は300種を超えるといわれている。
＜参考：桜井 弘＞
