Special Features 1 地球と生命 巻頭インタビュー 千葉工業大学惑星探査研究センター所長 松井孝典 構成◉ 大 朏 博 善 composition by Hiroyoshi Otsuki イラストレーション ◉ 青 木 宣 人 illustration by Yoshihito Aoki 生命って何だろう？ 宇宙から誕生の謎を解く このたび NASA が発表した 「GFAJ-1」 という細菌は、生命にとって必須とされる 6 つの元素 （炭素・水素・ 窒素・硫黄・酸素・リン） のうち、リンに代わってヒ素を摂取するという。この画期的な発見は、これまで の地球上の生命体の定説を覆すとともに、未知の有機体や地球外生命体の可能性を示唆する。そして、今 世紀に入り、 「生命」の謎を宇宙スケールで解き明かそうとする研究が盛んに行われるようになってきた。 「アストロバイオロジー」 と呼ばれるこの研究は、地球以外での 「生命」 の存在を追究する。 私たちにとっては 猛毒元素 であるヒ素を摂取し よって生命の歴史を再検証してみることが必要です。 て増殖する細菌がいる―今回の NASA の発見は、 地球と似た惑星は宇宙にいくらでもあるでしょうから、 極限環境の中にも生命が存在する可能性を示す大発見 地球の上で起きた現象なら宇宙レベルで起きても不思 だと思います。地球上だけでの生物学ではなく、宇宙 議はないと考えられるわけです。 レベルでの生物学が必要であることを示すニュースで では、地球上にはいつから生命が存在していたのか。 もあります。 そのための 知 の体系を「アストロバイオロジー」 と呼びます。アストロ （宇宙の） バイオロジー （生物学） という名のとおり、生命は地球上だけでなく宇宙にも たくさん存在するはずだと、私は思っています。宇宙 には地球とよく似た環境や物質がいくつもあり、生命 が存在する世界が他にあっても不思議ではないのです。 生物学も宇宙スケールで成立する学問へ 実際、20 世紀の終わり頃から地球によく似た天体 が銀河系の中で見つかり始め、今後は宇宙規模で生命 の分布、その起源と進化などを研究していこうとして います。物理学や化学が宇宙レベルで普遍性を持って いるように、生物学も宇宙スケールで成立する学問を 目指すべきであると考えられにようになったのです。 宇宙スケールでの生命を語る前に、地球がなぜ 生 命の惑星 になったのか、宇宙から地球を見る視点に 松井孝典 （まつい・たかふみ） 1946 年静岡県生まれ。76 年東京大学大学院理学系研究科地球物理学専 門課程博士課程修了。78 年東京大学理学部助手、92 年同助教授、93 年 同大学院理学系研究科助教授、99 年同大学院新領域創成科学研究科教授。 2009 年東京大学名誉教授、千葉工業大学惑星探査研究センター所長。 1986 年『nature』に海の誕生を解明した「水惑星の理論」を発表して注目 を浴びた。日本の惑星科学の第一人者である。 2 AXEPJ0-002-007.indd 2 11.1.14 2:51:31 PM 大気とともに地表に海洋と大陸があるのが地球の大きな特徴だ。この「3 点セット」によって生命の 誕生が可能となり、存続が持続する温暖な気候が保たれている。 ©NASA Goddard Space Flight Center のです。 そうはいっても「生命は宇宙から やって来た」では、科学的な意味での 生命の起源と進化論 にはならない。 宇宙だろうが地球だろうが、具体的な 場で進行したであろう生命誕生に関わ る物理・化学過程を考えなければ科学 にはなりません。 生命は 「海」から生まれた 生命が誕生する場として最も可能性 が高い場所は 「海」 です。生命を構成し ている元素の組成 （生体元素） は、海水 の元素組成とよく似ている。それぞれ の構成元素を多い方から 10 種ほどを 調べると、順番こそ少し異なるものの、 生体元素と海の元素組成はほとんど一 致します。このことから、海の存在と 生命の起源は密接に関わっていると推 論されるのです。 約 38 億年前の堆積岩があることか 最も古い生命 の間接的証拠はシアノバクテリアと ら、その頃の地球にはすでに海があったのが分かりま いう生物がつくる構造物で、約 38 億年前の地層から す。私が 1986 年に科学誌『nature』で発表した 地球の 見つかったもの。つまり、約 45 億年前に現在のサイ 大気と海の起源 は概略、次のとおりです。 ズになった地球で、38 億年ほど前から生命が存在し 太陽系の天体 （地球） は、微惑星と呼ばれる無数の小 たと考えられるのです。問題は、その生命はいつどこ 天体が衝突・集積して形成されました。秒速 10㎞を でつくられたのか、です。 超える超高速での衝突は爆発と同じで、衝突にとも 生命の起源論の最初は 宇宙説 でした。100 年以上 なってガス成分が蒸発し、原始地球を包むように漂う 前にスウェーデンの科学者アレニウスが「パンスペル 原始大気となる。この水蒸気を主成分とする原始大気 ミア説」 として、生命は宇宙に漂う胞子 （スペルミア） は衝突熱を宇宙空間に逃さないため、地表はどろどろ に乗って来たと説きました。その後も、DNA の二重 に溶けた マグマの海 となります。 らせん構造の解明でノーベル賞を得たクリックが、太 やがて原始地球が今の大きさに近づき、降ってくる 陽系外惑星の知的生命体が放った 原始生命のカプセ 微惑星が少なくなると地球は冷え始める。原始大気も ル が漂着したとする「意図的パンスペルミア説」を提 冷えて水蒸気が雨となって降り、原始の海ができあが 唱するなど、20 世紀まで宇宙説は続きます。 る……。こうして地球に大気と海が生まれると考えら 今では胞子に生命が乗ってやってくるといった単純 れます。こういった、まだ至るところで溶岩が噴出し な話は考えられませんが、宇宙から落下してくる隕石 ているような原始地球の環境は、生命の誕生にとって から有機物のアミノ酸などが見つかる。つまり、宇宙 好都合であるのが分かります。 では生命の材料となる有機物がつくられているわけで、 これを原材料として生命が生まれてもおかしくはない 現在の地球でも海底に熱水噴出孔というものが存在 し、高温の海水中には古細菌に属する非常に原始的な 3 AXEPJ0-002-007.indd 3 11.1.14 2:51:38 PM Special Features 1 地球と生命 宇宙空間には生命物質であるアミノ酸などの各種有機物が存在している。原始地球の表面ではマグマや落雷などによる活発な熱循環があり、これらをエネ ルギー源として 「生命の化学合成」 が行われたと考えられる。地球誕生から数億年で原始生命が誕生している。 生態系が構成されています。これは、熱水噴出孔では 酸素を用いてエネルギーを効率良く発生させるミトコ 熱エネルギーによって各種の化学反応が効率良く進み ンドリアと呼ばれる器官がある、進んだ細胞機能を 有機物の合成も行われる結果、生命物質の生成や古細 持った生物です。最も古い化石によれば、存在するよ 菌の生存に繫がることを示唆しています。 うになるのは 21 億年前頃と、原核生物より 10 億年以 原始地球では同様の現象がより大規模に起きたこと 上新しい存在になります。 で、生命の誕生に繫がったと考えるのは合理的でしょ そして、エネルギー効率の良さを基盤として真核生 う。原始地球形成後 6 億年くらい激しい衝突が続いた 物が多細胞化を始めたのは、これも化石によれば約 あと、原始海水に含まれる物質が 生命のスープ と 10 億年前のことと考えられています。ここから、い なり、何らかのエネルギーによって生命の素が誕生し ま私たちが目にしている多様な生物へと分化していく たというわけです。 ことになるのです。 なお、DNA の材料などが生まれるこうした「化学 進化」が、さらに細胞という 生命の入れ物 まで進化 現在までに 「生物絶滅」は5回あった した過程については、まだ明らかになっていません。 途中なんらかの理由によって地球環境が激変する度 細胞という構造を持ってからの 「生物進化」 では、単 に、多数の生物の絶滅が起きました。生物種の大半が 細胞生物の時代がしばらく続きます。細胞の性質に注 絶滅に追い込まれた 大絶滅 だけでも、少なくとも 5 目した場合、生命は原核生物と真核生物の 2 種類に分 回はあったのが明らかになっています。 けられます。原核生物の特徴は、遺伝子 DNA が細胞 そうした大絶滅のあと繁栄したのが哺乳類で、その 中に剝き出しで存在していること。最古の細胞化石の 一種であるヒトの祖先は約 700 万年前に出現したと考 シアノバクテリアが原核生物であることでも分かるよ えられています。分かりやすい分類でいえば、ヒトは うに、単細胞生物の中でも原始的な存在です。 猿人・原人・旧人・新人と進化して、我々の直系祖先 これに対して、遺伝子 DNA が細胞中の核と呼ばれ る部分に納められているのが真核生物。細胞の中に、 がアフリカで誕生したのは 20 万年ほど前と見られて います。 4 AXEPJ0-002-007.indd 4 11.1.14 2:51:46 PM この頃のヒトはまだ動物の一種として、他の動物種 との間で 食物の取り合い となる狩猟・採集によって 生活していました。私の言葉でいえば、 「生物圏」の中 にヒトがいたわけです。 現在、太陽系の惑星を見渡しても、海と大陸の両方が あるのは地球だけなのです。 どのような理由で、海と大陸があることが 生命の 星 と関係するのか？ その生活スタイルが変わったのが約１万年前のこと いま世界的な問題となっている地球温暖化では、主 で、農耕・牧畜という技術を身につけたのがきっかけ に二酸化炭素（ CO2）が温室効果ガスとして注目され でした。 ています。この CO2 は人間の社会活動によって生ま それ以来、生物圏の中で食物やエネルギーを得る生 れるだけでなく、もとから大気中や海中に存在するの 活ではなく、地球システムのモノやエネルギーを利用 はもちろん、地殻中にも石灰岩などの形で含まれてい する生活、私の言葉でいえば 「人間圏」 をつくって生き ます。そして、海からの蒸発によって大気に昇り、大 る生活が始まった。そして今から 200 年くらい前、地 気中の CO2 は雨に溶け込んで大陸に降り、大陸をつ 中から取り出した化石エネルギーを利用して物質循環 くる岩石から溶け込んだ塩分と一緒に河川によって海 を駆動するという生活に変わりました。ストック依存 に流れ込む……といった具合に循環しています。 型 「人間圏」 が新たにつくられたわけです。イギリスの ここで、惑星表面に海と大気だけがあって大陸がな 産業革命や電気・電力の発明によって、人間圏はます い場合を考えてみましょう。この場合、原始地球中に ます生物圏とは別種の巨大な存在になったのは、皆さ 含まれている CO2 が大量に大気中に残ることになり んご存じのとおりです。 ます。 海と大陸の両方があるのは地球だけ 太陽の活動が活発化して地表温度が上がった場合、 海水の蒸発量が増すことになり、大気中の水蒸気濃度 じつのところ、以上のように地球が何十億年にもわ が上がる。もし、この状態が長く続くと大気の水蒸気 たって 生命の惑星 であり続けたのには理由がありま 濃度も上がり続ける、つまり CO2 や水蒸気などの温 す。原始地球に 「海」 と 「大気」 が生まれただけでなく、 室効果ガスの濃度が増え続けることになります。する 花崗岩という岩石でできた 「大陸地殻」 が生まれたこと。 と温暖化が暴走状態となって、ついには海水が干上 がってしまう可能性がで てきます。 実際、金星に見られる 高温の表面は、そのよう な状態にあると考えられ ています。水は大気中に も地表にもほとんどなく、 100 気 圧 近 い CO2 が 金 星大気として存在してい るのです。 もし、海と大気の他に 大陸があると、この循環 がどのように変わるのか。 なぜ、地球には金星など のような暴走的変動現象 夜の地球上に作られた人工光のパターン。照明の存在が人間の社会生活を表しているわけで、 「生物圏」 から抜け出た ©NASA Goddard Space Flight Center 「人間圏」 の存在を示している。 が起きなかったと思いま すか？ 5 AXEPJ0-002-007.indd 5 11.1.14 2:51:53 PM Special Features 1 地球と生命 2001 年火星探査機オデッセイにより発見された火星北半球に存在する 氷土。大量の水を含んでいる。 ©NASA Goddard Space Flight Center 結果として大気中に CO2 が溜まります。温暖化ガス が増えるわけで、地表の温度が上がるのです。 このように、これまでの地球は海を存続させ、大気 中の CO2 量をコントロールすることで、 熱化から も超寒冷化からも地表環境を守ってきました。その環 境が何十億年も続いたことで、生命の進化も果たせま した。大気と海と陸地があって初めて 生命の星 に なったというのは、こういうわけなのです。 では、このような地球生命に関する生物学が、宇宙 レベルではどこまで普遍的なものなのか。 太陽系生 物学 あるいは 銀河系生物学 とでも呼べるものが、 いま求められています。 冬はほとんどドライアイスに覆われて分かりづらいが、場所によっては 90% 以上の含水量（青色の部分）。火星には生命の可能性がある。 ©NASA Goddard Space Flight Center 火星には生命存在の可能性がある 現在、生命存在の可能性が高いとして注目されてい る天体には、 「火星」 と 「エウロパ」 そして 「タイタン」 な どがあります。エウロパは、ガリレオ・ガリレイが木 星に発見した 4 大衛星 ガリレオ衛星 のうちの一つ、 そしてタイタンは土星の衛星の一つです。 この三つの天体に共通する特徴は、海が存在する、 または存在した可能性があるという点。これまで述べ てきたように、少なくとも地球生物学的には、海がな ければ生命が誕生しえない、進化しえないといえます。 たとえばエウロパの表面は氷に覆われていますが、 探査機の調べによって氷の下に海が広がっている可能 CO2 を含んだ雨が大陸に降ると岩石を浸食して、 性が強く示唆されています。タイタンには水の海こそ カルシウムやマグネシウムやナトリウムといった成分 ないものの、地球大気とよく似た窒素からなる大気が を海に流入させます。すると海が中和されます。さら 観察される。しかも水の代わりにメタンが循環し、地 に CO2（具体的には重炭酸イオン）とカルシウムの化 表は氷でできています。窒素や炭素・水素・酸素は生 学反応によって、炭酸カルシウムという石灰岩のもと 命にとって必須の物質だけに、何らかの生命体の存在 になる成分に変化。石灰岩は海底に沈殿したり大陸の が考えられるのです。 一部となって定着し、CO2 循環の環から炭酸成分の 一部が脱落することになります。 火星の場合は、かつて海があったかもしれないと考 えられています。これまでの探査では、地表に液体の この現象は大気中の CO2 濃度が下がる結果に繫が 水が流れてできたような地形が数多く観察されていま るから、太陽が明るくなって地表温度が上がろうとし す。枝分かれした峡谷が続く、バレーネットワークと ても地表の温度を下げる効果があるというわけです。 呼ばれる地形は地球の川に似て、かつて温暖で湿潤な この逆に、太陽の活動が低下して地表が冷えると、 気候があったことを示唆しています。 海水の蒸発量が減って雨の量も減るから、大気中から そこで、私が所長を務める「千葉工業大学惑星探査 取り除かれる CO2 の量も減る。その一方で、地球の 研究センター」では、主に火星を目標とした惑星探査 中から出てくる CO2 の量は地表温度に関係ないため、 プロジェクトを推進しています。 6 AXEPJ0-002-007.indd 6 11.1.14 2:52:00 PM 無人の探査用衛星の中にロボットの観測装置を搭載 こうした研究によって、生命の起源を知り、未来を して惑星に飛ばし、さまざまな調査を実施。惑星を構 探り、人類にとって新たな 「知」 の世界を切り拓いてい 成する物質の調査から、有機物の有無や生命の痕跡ま こうとしている。宇宙のスケールで 「生命の普遍性」 を で探査することを目指しているのです。 明らかにしようとしているのです。 「5大絶滅」 の謎 Healthist Column 恐竜絶滅も進化のパターンなのか？ 文◉編集部 text by Healthist いまから 6550 万年前、1 億 5000 万年以上にわ たって地球上に君臨していた恐竜が、忽然と地上 から姿を消してしまった。恐竜ファンならずとも 知る 「恐竜の大絶滅」 である。この時に絶滅したの は恐竜だけではない。植物や水生動物のアンモナ イト類などを含む、生物種の約 70% が絶滅に追 い込まれたと考えられている。 この事件は、地層年代でいう白亜紀と古第三紀 波が起きたと考えられる。 （パレオジン） との境界で起きたため 「K‐Pg 境界期 爆発によって 1000 億∼ 5000 億トンの硫酸塩 大量絶滅」と呼ばれる。その大量絶滅の原因説と やススが大気中に放出されて、酸性雨や寒冷化を して 決定打 を放ったのは、 『nature』2010 年 3 引き起こした。粉塵によって太陽光が月夜の明る 月 5 日号に掲載された論文。12 カ国・41 人の科 さより弱まったことで、植物プランクトンの光合 学者で構成する国際研究チーム（松井孝典所長も 成が長期間停止し、動物種の食物が消滅。食物連 参加）の研究結果として「1 発の小天体の衝突が大 鎖の根幹が崩壊した時点で、多くの生物種の運命 量絶滅の引き金を引いた」 と結論したのであった。 は決まった。食物連鎖の頂点に君臨していた恐竜 もちろん 物証 もある。イリジウムという、親 の生命は、ひとたまりもなかったに違いない。 鉄元素 として天体の核に集まりやすい元素が、 こうして恐竜の時代は終わったのだが、大絶滅 地球上の 6550 万年前の地層すべてに薄く分布し によってできた 生命の隙間 に、新たな種として ていることで、隕石 （小天体） から撒かれたことを 発生・分化を始めたのが哺乳類。われわれヒトの 示唆。さらには、理論的に得られた隕石の衝突跡 遥かな祖先たちが、進化の中心に飛び出した瞬間 と同サイズのクレーターが、ユカタン半島の地下 というわけである。 に眠っているのが明らかにされている。 恐竜絶滅で繁栄を始めた哺乳類 『nature』論文によれば、隕石が衝突した場所は じつのところ、こうした環境の激変による大絶 滅は、地球の生命史のなかでは決して珍しいもの ではない。過去 5 億年の間には、5 回にわたって 生物種の過半が消えてしまった「5 大絶滅」があり、 メキシコ北東部にあるユカタン半島。直径約 15 その合間にも中小レベルの絶滅が頻繁に起きてい ㎞の隕石が、毎秒 20㎞以上の猛スピードで落下 る。つまり、地上の生命は 順調に進化 してきた した。衝突エネルギーは広島型原爆の 10 億倍で、 わけではなく、 絶滅からの再起 を繰り返しつつ マグニチュード 11 以上の地震と波高 300m の津 現在に至っているのである。 7 AXEPJ0-002-007.indd 7 11.1.14 2:52:07 PM
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