2020/02/03

宇宙における生命〜どのように生まれたのか、そして命の星はいくつあるのか

 

戸谷 友則(天文学専攻 教授)

 

発表のポイント

  • 宇宙の中で非生物的な現象から生命が誕生したことについて、これまでで最も現実的なシナリオを見いだしました。
  • 生命科学と宇宙論という、これまでほとんど結びつきがなかった二分野を組み合わせ、インフレーション宇宙という広大なスケールで、生物的活性をもつRNAが非生物的に誕生する確率を初めて計算しました。
  • 宇宙は十分に広く、生命は非生物的な過程から自然に発生しうることを示しました。一方、このシナリオが正しければ、地球外生命を我々が将来発見する確率は、極めて低いと予想されます。

 

発表概要

生命が存在しない状態から、どのように生命が発生したのでしょうか。自己複製できる高度な遺伝情報を持った生命体が、非生物的でランダムな反応から偶然生じる確率はあまりにも小さいと考えられてきました。しかし最新の宇宙論によれば、宇宙は我々が観測可能な距離(138億光年)のはるかむこうにまで拡がっています。その広大なインフレーション宇宙(注1)のどこかで生命が発生すれば、地球に今、我々が存在することは説明できます。東京大学大学院理学系研究科の戸谷友則教授は、生命誕生に必要な最小限の複雑さと情報を持った高分子が、実際にインフレーション宇宙のどこかで生じうることを明らかにしました。実験などで見られる単純な高分子生成反応だけで生命が誕生しうるほど、宇宙は広大なのです。これは、未知の反応やプロセスなど必要としない、これまでで最も実現性の高い生命誕生のシナリオと言えるでしょう。しかし、このように生まれた生命を持つ惑星は、恐らく、観測可能な宇宙のなかに地球だけです。それでも、我々の知る観測事実と何ら矛盾はありません。そしてこれは将来、我々が地球外生命を発見する可能性は、(残念ながら)限りなく低いことを意味します。この予言は、現在計画中の太陽系外惑星観測などで検証されることになります。

 

発表内容

生命の存在しない宇宙に、どのようにして生命が誕生したのか。自然科学の中でも最大の謎といって、過言ではないでしょう。あまりにも難しすぎる上に、生命科学、化学、物理学、地球科学、そして天文学までの多岐にわたる問題であるために、これに真正面から取り組む研究者の数も限られているほどです。特に、DNAに保存されている高度な生物遺伝情報が、非生物的な過程から一体どのように生まれてきたのかが、最大の難問と言えるでしょう。

生命の起源で有力な説として、RNAワールドがあります。現生生物は、主に遺伝情報はDNAが、代謝などの生物的活性はタンパク質が担っていますが、RNA(注2)は一つでその二役の機能を持つため、最初の生命はRNAから始まったとする説です。これは広く支持されている説ですが、そもそも最初に生物的活性を持つRNAがどのように誕生したかは、謎のままです。

DNAやRNAは、ヌクレオチドと呼ばれる分子が多数つながったものです。4種のヌクレオチドがどのようにつながるかで、コンピュータのメモリのように複雑な情報を保存できます。仮にヌクレオチドが一つずつランダムに結合する化学反応を考えても、生命活動を可能にするだけの高度な情報をもった長いRNAが「たまたま」できあがる確率はあまりにも低く、現実には起こりえないと考えられてきました。例えとして「猿がタイプライターを打って、偶然、シェイクスピアの小説ができあがる」ようなものとも言われます。そのため、長鎖のRNAをランダムにつくるのではなく、何らかの未知の反応や機構により、生物的活性を持った高分子にまで進化するという仮説に基づいた研究も行われてきましたが、実際にうまく働きそうな、具体的な機構やシナリオはまだ見つかっていません。

今回の研究の着眼は、最新の宇宙論に基づく宇宙の広さでした。最先端の天文学は、138億年前に誕生した宇宙が、我々に観測可能な138億光年の半径内で、極めて一様に拡がっていることを明らかにしました。この一様さを説明する上で不可欠なのが、1980年代に提唱されたインフレーション宇宙論で、今ではほぼ全ての宇宙論研究者に支持されています。これによれば宇宙の超初期に、宇宙が指数関数的(ねずみ算式、倍々ゲーム)に膨張し、現在の138億光年の領域の体積は元の1078倍になったとされます。インフレーションの拡がりが、ちょうど我々の観測する138億光年にぴったり一致すべき理由はありません。むしろ、宇宙は138億光年の領域を超え、そのまた1078倍の体積以上に拡がっているはずです。太陽のような星は我々の住む銀河系内に約一千億(1011)個、138億光年の半径内に約1022個(一兆の百億倍)ありますが、インフレーションで拡がった宇宙には、実に10100個以上の星があることになります。インフレーションはねずみ算式に起きますから、もう一回拡大して、10178個の星があるという可能性も十分にありえます。

これだけの星があるなら、そのどこかでは、ランダムな化学反応だけで生命は誕生できるのではないか。東京大学大学院理学系研究科天文学専攻の戸谷友則教授は、これを確かめるため、原始の地球型惑星においてヌクレオチドがランダムに結合し、生命誕生に必要な長さと情報配列を持つRNAが生まれる確率と、宇宙の中の星の数を結びつける方程式をつくりました。生命の発生確率に関する方程式と言えば、ドレークの方程式が有名ですが、今回の方程式は、(1) 知的生命体ではなく、最初の生命誕生を対象としている、(2) RNAが高分子化する物理的過程を考慮した、より具体的なものになっている、という違いがあります。  

生命科学において実験的につくられるRNAの研究から、自己複製などの活性を持つRNAが生まれるためには、ヌクレオチドが最低でも40個、あるいはざっと100個程度以上につながらなければならないと言われています。逆に言えば、非生物的な過程からそれぐらいの長さのRNAが、正しい情報配列を含んで生まれれば、生命誕生における最大のハードルは越えたと言えるでしょう。

今回つくられた方程式によれば、40単位の長さで特定の情報配列を持つRNAが偶然に生まれるためには、宇宙の星の数は1040個ほど必要です(図1)。

図1:生命発生に必要な最小のRNAの長さと、そのようなRNAが非生物的に誕生するために必要な宇宙における星の数の関係。上下二つのパネルでは、縦軸のスケールが変わっています。水平な点線は、いくつかの重要な星の数を示しています(一つの星、銀河系、観測可能な宇宙)。また、「インフレーション×2」は、インフレーションが、現在の観測可能な宇宙を作るために必要な最低限の場合より2倍だけ長く続いた場合の、宇宙における星の数(10100個)を示しています。RNAが自己複製のような生物的活性を持つためには最低でも40、あるいはざっと100ヌクレオチド以上の長さが必要とされます。

 

100単位の長さなら、実に10180個の星が必要となります。これは、我々が観測可能な星の数(1022個)をはるかに超えますが、上に述べたとおり、インフレーション宇宙の大きさを考えれば十分に可能な数字です。つまり、「インフレーション宇宙のどこかで生命が生まれればいい」と考えるなら、ごく普通の化学反応で生命は誕生しうるということです。

もちろん、活性を持つRNAができればそれで生命の誕生と言えるのか、あるいは原始地球に存在したヌクレオチドの数など、不確定な要因は他にいくつもあります。しかし今回の方程式において、「インフレーションによる宇宙の広がり」と「生命誕生に必要なRNAの長さ」には特に密接な関係があります。数学的にどちらも指数的、つまりねずみ算的な性質を持つからです。その他の不確定要因は、仮に一万倍あるいは一億倍で間違っていたとしても、上記の結論にほとんど影響しません。

このように、生命誕生の確率が想像を絶するほど低いとしても、実は、我々の知る観測や実験事実と何ら矛盾することはありません。我々は、ごく稀に生命が発生した惑星において、知的生命体にまで進化し、生命の起源について考察しているわけです。生物学の研究によれば、地球の全ての生命は、たった一つの単細胞生物から進化したと言われ、地球の歴史上、生命の発生が複数回起きたことを示唆するものはありません。そしてもちろん、我々は地球以外に生命の存在を知りません。

今回の研究成果の第一の意義は、ランダムな化学反応という、十分に起こりうると期待できるプロセスだけで、宇宙の中に自然に生命が発生できることを示したことにあります。「複雑な生命情報の無生物からの誕生」という難問に、初めて、一つの回答を出したと言えるでしょう。

一方でこのシナリオに基づけば、生命を育む惑星は、太陽系や銀河系どころか、我々が観測可能な半径138億光年の宇宙の中で、この地球ただ一つということになります。現在、太陽系外の惑星が何千個も見つかり、さらに増え続けています。そうした系外惑星に、生命の兆候を探そうという夢のある天文学プロジェクトも世界で推進されています。しかし残念ながら、地球外生命が見つかる可能性は極めて低いでしょう。ただし、生命そのものが見つからなくても、生命の材料となる物質が見つかるかもしれませんし、それだけでも、生命の起源を考える上では大変重要なことです。

もちろん、今回の研究で考えたようなランダムな化学反応ではなく、もっと効率の良い、未知のRNAの生成プロセスがあり、太陽系の惑星・衛星や系外惑星にも生命が満ちあふれているという可能性は、否定できません。ただし、それを積極的に期待する強い科学的理由もありません…地球外生命を見つけたいという人間の夢を除けば。いずれにせよそれは、将来の観測や探査が明らかにすることでしょう。それが、科学の醍醐味と言えるのです。

 

発表雑誌

雑誌名 Scientific Reports
論文タイトル Emergence of life in an inflationary universe
著者 Tomonori Totani*
DOI番号 10.1038/s41598-020-58060-0
アブストラクトURL https://www.nature.com/articles/s41598-020-58060-0

 

用語解説

注1 インフレーション宇宙

宇宙の超初期、ビッグバン以前に、宇宙が指数関数的に急激な膨張をしたとする仮説。現在の広大な宇宙が、宇宙初期に因果関係を持つことができた領域のサイズを大きく超えて、一様に拡がっている事実をうまく説明できる唯一のシナリオとして、宇宙論の研究分野で広く受け入れられている。近年の宇宙マイクロ波背景放射などの精密観測でも、この理論を支持するデータが蓄積されつつある。

注2 RNA

リボ核酸。遺伝情報を保存するDNA(デオキシリボ核酸)の遺伝情報をRNAとしてコピーし、そのRNAをもとに、生命活動の基幹となる種々のタンパク質が合成される。

 

―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―

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