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生命の起源 |理科

ワシントン D.C. の緑豊かな丘のキャンパスには、カーネギー科学研究所の 2 つの部門があります。地球物理研究所と、風変わりな名前の地磁気部門です。この機関が 1902 年に設立されたとき、地球の磁場を測定することは、海図の作成者にとって差し迫った科学的ニーズでした。ここで働く人々、つまりボブ・ヘイゼンのような人々は、より根本的な懸念を抱えています。ヘイズン氏と彼の同僚は、この機関の圧力爆弾 (地球内部の異常に高い温度と圧力に鉱物を圧搾して加熱するブレッドボックスサイズの金属シリンダー) を使用して、生命の起源以外の何ものを解読しています。

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鉱物学者のボブ・ヘイズンは、チェサピーク湾の海岸沿いを歩き、砂の中に隠された化石やサメの歯を探すのが好きだと語っています。





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鉱物学者のヘイズンは、生物に見られる最初の有機化学物質がどのように形成され、40 億年近く前にお互いを発見したかを調査しています。彼がこの研究を始めたのは 1996 年で、科学者が熱水噴出孔を発見してから約 20 年後のことです。熱水噴出孔とは、溶融した岩石によって水が華氏数百度に加熱される深海底の亀裂です。通気孔は、巨大なワーム、盲目のエビ、硫黄を食べるバクテリアが生息する奇妙な水中生態系に燃料を供給しています。ヘイズン氏と彼の同僚は、複雑な高圧のベント環境 (豊富な鉱物堆積物と亀裂が熱水を冷水に噴出させる) が生命の始まりである可能性があると考えました。



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ヘイズンは、この理論をテストするために圧力爆弾を使用できることに気付きました。この装置 (技術的には内部加熱式ガス媒体圧力容器として知られています) は、超強力なキッチン圧力鍋のようなもので、1,800 度を超える温度と、海面の大気の最大 10,000 倍の圧力を生成します。 (何か問題が発生した場合、その後の爆発で研究所の建物のかなりの部分が破壊される可能性があります。オペレーターは装甲バリアの後ろから圧力爆弾を実行します。)

この装置を使った最初の実験で、ヘイズンは数ミリグラムの水、ピルビン酸と呼ばれる有機化学物質、二酸化炭素を生成する粉末をすべて、金でできた小さなカプセルに入れました (内部の化学物質とは反応しません)。彼自身。彼は 3 つのカプセルを 480 度、2,000 気圧の圧力爆弾に入れました。そして、彼は昼食に行きました。 2時間後にカプセルを取り出すと、中身は数万種類の化合物になっていました。その後の実験で、彼は窒素、アンモニア、および初期の地球にありそうに存在する他の分子を組み合わせました。これらの実験で、ヘイズンと彼の同僚は、アミノ酸や糖など、生命の物質を含むあらゆる種類の有機分子を作成しました。

ヘイズンの実験は転機となった。それ以前は、生命の起源の研究は、チャールズ ダーウィン自身が 1871 年に脚本を書いたシナリオによって導かれていました。リン酸塩、光、熱、電気など、タンパク質化合物が化学的に形成され、さらに複雑な変化を受ける準備ができている....



1952 年、シカゴ大学の大学院生であるスタンリー ミラーは、ダーウィンの夢を実現しようとしました。ミラーは、水を入れた容器 (初期の海を表す) をガラス管で接続し、アンモニア、メタン、水素を含む容器に接続しました。当時の科学者は、初期の大気に近いと考えていました。炎が水を加熱し、蒸気を上に送りました。大気圏のフラスコでは、電気火花が雷をシミュレートしました。この実験は、ミラーのアドバイザーであるハロルド・ユーリーが時間の無駄だと考えたほどの長期にわたるものでした。しかし、その後数日で、水は深い赤に変わりました。ミラーはアミノ酸のスープを作りました。

44 年後、ボブ ヘイズンの圧力爆弾の実験は、雷雨だけでなく、熱水噴出孔が潜在的に生命に火をつけた可能性があることを示しました。彼の研究はすぐに、より驚くべき結論に導きました.生命の基本分子は、熱水噴出孔、火山、さらには隕石の近くなど、あらゆる場所で形成できることがわかりました。宇宙生物学者は、オープン スペースの岩石を割って、アミノ酸、糖や脂肪酸に似た化合物、RNA と DNA に見られる核酸塩基を発見しました。したがって、地球上の生命の最初の構成要素のいくつかが宇宙から来た可能性さえあります。

ヘイズンの発見は、幸先の良い時期に来ました。数年前なら、私たちは生命の起源のコミュニティから笑い飛ばされていたでしょう、と彼は言います。しかし、宇宙生物学プログラムを開始した NASA は、生命が他の惑星や衛星などの奇妙な環境で進化した可能性があるという証拠を探していました。 NASAは、エウロパ、タイタン、ガニメデ、カリスト、火星に行くことの正当化を[望んでいた]とヘイズンは言う.生命がそこに存在する場合、それは表面下、暖かく高圧の環境にある可能性があります。

地球に戻って、ヘイズンは、2000 年までに、生命の基本的な構成要素を作るのは簡単であると結論付けたと言います。難しい質問: 適切なビルディング ブロックはどのように組み込まれましたか?アミノ酸にはさまざまな形がありますが、生物がタンパク質を形成するために使用するのは一部だけです。彼らはどうやってお互いを見つけたのですか?

カーネギー研究所の研究所の建物の窓のある隅で、ヘイズンはメモ帳に分子を描き、生命への道の最初の段階をスケッチしています。プレバイオティクスの海があり、海底には岩がある、と彼は言います。基本的に、ここには溶液中に浮かんでいる分子がありますが、それは非常に希薄なスープです。初期の海で新たに形成されたアミノ酸にとって、それは確かに孤独な生活だったに違いありません。おなじみの原初のスープはコクがあり濃厚に聞こえますが、ビーフシチューではありませんでした。それはおそらく、広大な海のあちこちにある数個の分子に過ぎないのだろう.したがって、ここの分子がこの分子に衝突し、実際に化学反応が起こって何らかのより大きな構造を形成する可能性は、非常に小さいとヘイズンは続けます。彼は、熱水噴出孔の周りに堆積する鉱床であれ、表面の潮溜まりに沿って堆積する鉱床であれ、岩石が孤独なアミノ酸がお互いを見つけるのを助けた仲人だった可能性があると考えている.

岩には、光沢があり滑らかであるか、ゴツゴツして粗いかなどのテクスチャがあります。鉱物の表面の分子にも質感があります。水素原子は鉱物の表面を行き来し、電子は周辺のさまざまな分子と反応します。鉱物の近くを漂うアミノ酸は、その表面に引き寄せられる可能性があります。アミノ酸のかけらが結合を形成する可能性があります。十分な結合を形成すると、タンパク質が得られます。

カーネギーの研究室に戻って、ヘイズンの同僚はその求愛の最初のステップを検討しています.Kateryna Klochkoは、他の実験や多くの数学と組み合わせると、特定の分子がどのように鉱物にくっつくかを示す実験を準備しています.それらは鉱物にしっかりとくっついているのでしょうか、それとも分子が 1 か所だけにくっついていて、残りの部分は移動可能なままなので、他の分子と結びつく可能性が高くなりますか?

クロチコはラック、プラスチック チューブ、必要な液体を取り出します。とても退屈で退屈なものになるだろう、と彼女は警告する.彼女は、わずか 1 滴の粉末ミネラルを 4 インチのプラスチック チューブに入れ、アルギニン、アミノ酸、液体を加えて酸性度を調整します。それから、溶液に気泡が入っている間、彼女は8分間待った.作業は確かに退屈に見えるかもしれませんが、集中力が必要です。それが重要で、各ステップが重要です、と彼女は言います。それぞれ、間違えるとおかしなデータになりますが、どこで間違えたのかはわかりません。彼女は材料を 7 回、7 つのチューブで混ぜます。彼女が仕事をしているときに、サイエンティストがラジオに出てきます。Coldplay のボーカリスト、Chris Martin が歌っています。

2 時間後、サンプルは回転子 (試験管用の高速の観覧車の一種) に入れられ、一晩中混合されます。朝、クロチコは液体中に残っているアルギニンの量を測定します。残りのアミノ酸は、ミネラル パウダーの小さな表面にくっついています。

彼女と他の研究者は、さまざまな鉱物や分子を使って、さまざまな組み合わせで同じ実験を何度も繰り返します。目標は、ヘイズンと彼の同僚が、地球の初期の海で起こった可能性のあるような、より複雑な相互作用を予測できるようにすることです。

分子が鉱物とどのように相互作用するかを研究してから、生命がどのように始まったのかを理解するのにどれくらいの時間がかかりますか?誰も知らない。一つには、科学者は生命の定義を確立したことがない.それが何であるか、そして自己複製と世代から世代への情報伝達が鍵であるという一般的な考えは誰もが持っています。カリフォルニア州ラホヤにあるスクリップス研究所のジェラルド・ジョイスは、定義は「フワフワしたもの」のようなものであるべきだと冗談を言っています。

ヘイズンの作品は、生命の起源を超えた意味を持っています。結晶に付着するアミノ酸は環境のいたるところにあると彼は言う。体内のアミノ酸はチタンの関節に付着します。バクテリアの膜がパイプの中で成長します。タンパク質とミネラルが出会うあらゆる場所で、アミノ酸は結晶と相互作用しています。それはすべての岩、すべての土壌、建物の壁、歯や骨と相互作用する微生物、あらゆる場所にあるとヘイズンは言います。

チェサピーク湾を見下ろす週末の隠れ家で、ヘイズン (61 歳) は、円を描いて動き回ったり、静かな水をかき混ぜたりしている何羽かの白黒のアヒルを双眼鏡で見つめています。彼は、彼らが魚を放牧していると考えています。これまで見たことのない行動です。彼は妻のマージーに見に来てほしいと呼びかけました。ヒメハジロでこの非常に興味深い現象が起こっています!

リビング ルームの棚には、カップルが近くで見つけたものが置かれています。ビーチ ガラス、かごいっぱいの鉱物、化石化したフジツボ、サンゴ、ホオジロザメの歯などです。干潮時に浜辺で発見された1500万年前のクジラの顎骨が、ヘイズンが掃除しているダイニングルームのテーブルにバラバラに広げられている.これが熱帯の楽園だったとき、それは生きた呼吸するクジラの一部でした、と彼は言います。

ヘイズンは、先史時代への興味をクリーブランドの子供時代に遡り、化石採石場からそれほど遠くない場所で育ちました。私が最初の三葉虫を集めたのは、私が 9 歳か 10 歳のときだったと彼は言います。何百万年も前に絶滅した海洋節足動物について彼は言う。彼の家族がニュージャージーに引っ越した後、彼の 8 年生の科学の先生は、近くの町で鉱物を調べるように勧めました。彼は私に地図をくれ、道順を教えてくれ、標本をくれた。そして私の両親は私をこれらの場所に連れて行ってくれたとヘイズンは言う。それで、私はただ夢中になった。

マサチューセッツ工科大学で古生物学のクラスを一緒に受講した後、ヘイズンと将来の妻となるマージー・ヒンドルは、三葉虫の収集を開始しました。彼らは今、何千も持っています。それらのいくつかは信じられないほどかわいいとヘイズンは言います。この膨らんだ鼻、抱きしめたくなる。

ヘイズンのオフィスのいたるところにトリロバイトがあり、自宅のメリーランド州ヘイズンズ ベセスダの地下室には、棚が覆われ、机の引き出しやキャビネットがいっぱいになっています。アートセラピストになるために勉強している彼の現在成長した子供たち、ベン (34 歳) と教師のリズ (32 歳) による三葉虫アートさえあります。これは究極のかわいい三葉虫だ、と彼は言う。 パラジュラス .どうして愛せないの?

ヘイゼンは自分を天性のコレクターと呼んでいます。彼と Margee はブラスバンドの写真が入っている額縁を購入した後、ブラスバンドの別の写真を購入し始めました。最終的に彼らはブラスバンドの歴史を書きました— ミュージックメン —そして、ほとんどすべての町が独自の町を持っていたアメリカの時代。 (ボブは 1966 年からプロとしてトランペットを演奏しています。) 彼は、地質学に関する 18 世紀と 19 世紀の詩のコレクションも出版しています。 そして、ああ、ロック!片岩、片麻岩、あなたがたは何だ/あなたがたはさまざまな層、名前は私には難しすぎます )。しかし、カップルは物事に執着しない傾向があります。奇妙に聞こえるかもしれませんが、コレクターとして、私は買収に積極的だったことは一度もありません、とボブは言います。それらを手に持って間近で研究できたことは、本当に特権です。しかし、彼らは個人の手に渡るべきではありません。これが、バンドの写真とエフェメラのヘイズン コレクションが ca である理由です。 1818-1931年、現在、国立アメリカ歴史博物館に所蔵されています。ハーバード大学には彼が中学2年生で始めた鉱物コレクションがあり、ヘイズン夫妻は三葉虫を国立自然史博物館に寄贈する過程にある.

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鉱物が生命の進化をどのように助けたのかをしばらく考えた後、ヘイズンは現在、方程式の反対側、つまり生命がどのように鉱物の発達に拍車をかけたかを研究している.彼は、太陽系以前の塵の粒子には、ダイヤモンドやグラファイトを含む約 12 種類の鉱物しか存在していなかったと説明しています。太陽が昇るにつれて、さらに 50 かそこらが形成されました。地球上では、火山は玄武岩を放出し、プレートテクトニクスは銅、鉛、亜鉛の鉱石を作りました。鉱物は、星が爆発し、惑星が形成され、プレートテクトニクスが引き起こされる、この種の壮大な物語のプレーヤーになる、と彼は言います。そして、人生が重要な役割を果たします。大気中に酸素を導入することで、光合成により、たとえばターコイズ、アズライト、マラカイトなどの新しい種類の鉱物が可能になりました。コケや藻類が陸に上がり、岩を砕いて粘土を作り、より大きな植物が可能になり、より深い土壌ができるようになりました。現在、約 4,400 の鉱物が知られていますが、その 3 分の 2 以上は、生命が地球を変えたという理由だけで存在するようになりました。それらのいくつかは、生物によって排他的に作成されました。

ヘイズンはどこを見ても、同じ魅力的なプロセス、つまり複雑さが増すことに気付いていると述べています。言語や物質文化の中で、人生そのものの中で、同じ現象を何度も目にします。物事はより複雑になります。それは、熱水噴出孔環境の複雑さ (岩石の近くで熱水と冷水が混ざり合い、鉱床が新たに形成されたアミノ酸が集まる可能性のある固い表面を提供する) によって、生命のゆりかごとして非常に優れた候補となります。有機化学者は長い間試験管を使用してきましたが、生命の起源は岩を使い、水を使い、大気を使います。生命が足場を得ると、環境が非常に変化しやすいという事実が進化の原動力になります。鉱物が進化し、生命が誕生して多様化し、三葉虫、クジラ、霊長類、そしていつの間にかブラスバンドが現れます。

ヘレン・フィールズ ライギョと恐竜化石の軟部組織の発見について書いています。 スミソニアン . アマンダ・ルシドン はワシントン D.C.

地球初期の生命の状態を模倣するために、ボブ・ヘイズンは、カーネギー研究所で、化学薬品を加熱および圧縮するために「圧力爆弾」を使用しました。(アマンダ・ルシドン)

幼い頃から化石収集家であったヘイズンは、チェサピーク湾の古代の貝殻を調査している様子をここに示しており、数十億年前の地球での生命の始まりの新しいシナリオを考え出しました。(アマンダ・ルシドン)

科学者たちは、140年前にチャールズ・ダーウィンが推測した「暖かい小さな池」の先にある生命の起源を探している.ヘイズンの研究室にいる Kateryna Klochko は、タンパク質の構成要素であるミネラル ダストとアミノ酸を組み合わせています。(アマンダ・ルシドン)

ここに示されているいくつかの隕石は、チリで見つかった隕石の拡大断面図であり、アミノ酸を含んでおり、生命が宇宙から種をまき散らされた可能性を高めています。(アマンダ・ルシドン)

高温と高圧にもかかわらず、深海の熱水噴出孔には生物が生息しています。(サイエンスソース)

ヘイズンは、このような絶滅した海洋節足動物である三葉虫の収集を開始しました パラジュラス ――子供の頃。(アマンダ・ルシドン)

最初の有機分子は、それらを結びつけるために岩が必要だったかもしれない、と彼の妻のマージーは、チェサピーク湾の週末の隠れ家の近くにいると言う。しかし、その関係は両方向に行きます。生物が確立されると、彼らは新しい鉱物を生み出しました。(アマンダ・ルシドン)





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