この動画は、地球上のすべての生命の分子基盤が神秘的に非対称であり、鏡像のペアの片側のみを使用している現象について解説している。DNAは常に一方向にのみ巻いており、アミノ酸と糖類も生命では鏡像反転した形では使用されない。この生命のキラリティの起源は未だ不明であるが、宇宙の根本的な鏡像非対称性と関連している可能性があり、特にNoémie GlobusとRoger Blandfordの研究では、この非対称性が宇宙線によって地球にもたらされた可能性を提案している。
生命の分子基盤における神秘的な非対称性
すべての生命の分子基盤は神秘的に非対称であり、本来は等価であるはずの鏡像ペアの片側の分子のみを使用しています。宇宙には同様の鏡像非対称性があり、私たちのDNA自体がその捻れを現実の根本的なキラリティから受け継いでいる可能性があります。
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宇宙の対称性と非対称性
私たちの宇宙は美しく対称的です。ほとんどの場合、物理法則は左と右、正と負の電荷、そして未来と過去さえも入れ替えても同じように機能します。しかし、これらの対称性には微妙な破れがあります。例えば、私たちの宇宙の完全な鏡像反射は、わずかに異なって機能するでしょう。
この非対称性が、私たちの宇宙が反物質ではなく物質でできている理由だと考えられています。これについては以前にお話ししました。しかし、もっと身近なところに別の鏡像対称性の破れがあります。
生命によって使用される最も重要な分子の多くは、鏡の片側からのものだけです。例えば、DNAヘリックスは常に一方向にのみ巻いており、決して他の方向には巻きません。そして生命によって使用されるアミノ酸と糖類は、鏡像反転した形では決して生命によって使用されません。
この理由は…まだ知られておらず、いくつかの競合する仮説があります。
生命のキラリティと宇宙の根本的非対称性
今日、私たちは生命のキラリティが宇宙自体の根本的な鏡像非対称性に関連しているという考えを見ていきます。Noémie GlobusとRoger Blandfordの論文に焦点を当て、この非対称性が宇宙線によって地球にもたらされた可能性を提案します。しかし、クールな物理学と宇宙の話に入る前に、少し生化学をやりましょう。
何かが「キラル」であるとは、その鏡像反射を回転させても元と完全に一致させることができない場合です。あなたの手はキラルです。なぜなら左手を回転させても右手と一致させることができないからです。分子も、その鏡像バージョンが同様に非等価である場合、キラルになることができます。
類推によって、私たちはキラル分子を左巻きまたは右巻きのいずれかとしてラベル付けしますが、各分子のラベルの割り当ては多少恣意的です。
これらの鏡像形態はエナンチオマーと呼ばれ、化学的には似ていますが、生物学的システムでは大きく異なる挙動を示すことがあります。時には一つのエナンチオマーだけが生物学的に活性です。時には一つは医学的に有用で、もう一つは危険です。
例えば、サリドマイドの右巻きエナンチオマーには抗吐き気特性がありますが、左巻きは恐ろしい先天性欠損症を引き起こします。
生命分子におけるキラル偏向
生命体を構成する分子では、キラル偏向はさらに深刻です。例えば、生命は左巻きアミノ酸と右巻き糖類のみを使用します。これらの分子が結合してDNAを構築するため、結果として得られるヘリックスは一方向にのみ巻きます。私たちはDNAが右巻きであると言い、すべてのRNAもそうです。
原理的には、すべての分子が反対のキラリティを持つ完全に安定した生命体を構築することができるでしょうが、自然界ではそれを決して、決して見ることはありません。生物学的分子全体にわたる単一のキラリティのこの均一な選択は、ホモキラリティとして知られています。
生命のホモキラリティは、1848年に若いLouis Pasteurによって、分子のキラリティと同時に発見されました。彼は、合成酒石酸の結晶が2つの異なる鏡像形態、つまり互いの鏡像として現れることを発見しましたが、ブドウなどの天然源からのものは一つの形態のみを示しました。これらの結晶は、光の偏光を互いに反対方向に回転させることさえしました。
私たちは今、これらの鏡像形態が酒石酸分子の鏡像エナンチオマーによるものであり、生命は右巻きバージョンのみを産生することを知っています。
Miller-Urey実験と生前生物期の条件
1世紀後、Miller-Urey実験は、模擬的な生前生物条件下で、単純な化合物がエネルギー源に当たったときにアミノ酸やその他の有機化合物が自然に形成されることを示すことで、この分裂をさらに実証しました。しかし、常に50-50の混合物として、私たちがラセミ混合物と呼ぶものです。しかし、生命では、右巻きアミノ酸のみが形成され、使用されます。
Miller-Urey実験は、地球、生命以前または生前生物期の地球の条件を近似することを意図していました。その地球の原始スープは確実にラセミから始まったはずです。しかし、このスープから生まれた生命はホモキラルでした…少なくとも今日まで生き残っている生命は。
生命形成の三つの段階
それでは、いつ、どのようにしてそれが起こったのでしょうか？地球上で生命が最初にどのように形成されたかは正確にはわからませんが、おそらく3つの段階に分けることは安全でしょう。
最初の段階では、まだ複雑なポリマー鎖を形成していないアミノ酸のような単純な有機分子のみがあります。これらはまだモノマーです。これがMiller-Urey実験でシミュレートされた世界です。これから取り上げる論文の著者の先導に従って、これを生前生物期と呼びます。
次に、自動触媒や自己複製などの新興能力を持つ、ますます複雑な分子鎖を持つ段階があります。RNAがこの段階を推進する分子の有力候補です。技術的にはこれも生前生物期ですが、再び私たちの研究者の先導に従って、これを移行生物期と呼びます。生前生物期と生物期の間の移行で、生物期は最初の非常に単純な単細胞生物、最初の真の生命体の発達後のすべてです。
これらの発達段階のある時点で、生命の材料はホモキラルになりました。おそらく、例えば、原始スープは一つのキラリティのアミノ酸が大幅に過剰になったのかもしれません。あるいは、ホモキラリティは移行生物期に現れ、RNAの一つの巻き方がもう一方に勝ったのかもしれません。それとも生命以前は両方のキラリティで最初の細胞まで並行して進化したのでしょうか？
キラリティの優位性確立メカニズム
一つのキラリティを一括して消去する既知のプロセスはありません。提案されたすべてのプロセスは、せいぜい一方に小さな数値的優位性を与えるだけです。完全なホモキラリティを達成するためには、この優位性は、他方が消去されるまで一つのキラリティの指数的支配につながることができる正のフィードバックループを介して増幅される必要があります。
メカニズムの例には、自己触媒が含まれます。キラル分子がそれ自身の種類の化学合成を促進します。または反触媒です。反対のキラリティが抑制されます。または自己複製です。より多くの材料が一つのキラリティに固定され、もう一方を飢えさせます。
自己および反触媒は、生前生物時代の早い段階で潜在的に可能ですが、単純なモノマーの既知のメカニズムは、完全なホモキラリティに到達するのに十分効率的ではないようです。
しかし、移行生物期に到達し、RNAによって可能になった複雑な分子機械を使えば、触媒メカニズムと複製は、一つのキラリティが適応的または数値的優位性を迅速に持つ限り、ホモキラリティにつながることができ、おそらくそうなるはずです。そして、そのプロセスの指数的性質を考えると、これはおそらく最初の細胞が形成されるずっと前に完了するでしょう。
しかし、その優位性が最初にどのように現れたかを説明する必要があります。
非根本的選択肢と地球外起源説
いくつかの非根本的な選択肢があります。地球が彗星や小惑星によってもたらされた、すでにキラル偏向を持つアミノ酸で種を蒔かれた可能性があります。それらは、偏光が一つのエナンチオマーを選択的に破壊することによって、その偏向を拾い上げた可能性があります。
隕石物質にこのキラル偏向の争点のある証拠がありますが、これらの物質が非常に偏向した地球のアミノ酸によって汚染されたかどうかを判断するのは困難です。
キラル偏向は地球上でも発生した可能性があります。例えば、磁鉄鉱を使った実験で、キラル分子と磁性表面の間の一種の「協力的フィードバック」、ホモキラリティを誘発する可能性のある正のフィードバックループの一種が見つかっています。または、これらの分子が生前生物時代に煮えていた鉱物表面による一つのエナンチオマーの選択的吸収かもしれません。
ランダム性と根本的な宇宙非対称性
もう一つのかなり合理的な可能性は、一つのキラリティへの優位性がランダムだったということです。おそらく一方がランダムな偶然によってわずかな数値的優位性を得て、これが雪だるま式に増えたか、または一方が重要な適応ステップに最初に到達した、例えば最初のRNA分子がたまたま右巻きだった、そして再び雪だるま式にそこから増えたかもしれません。この場合、キラリティレースの勝者は完全にランダムになります。
しかし、私たちは生命の鏡像非対称性をより根本的なものにリンクしようと約束したので、それをしましょう。宇宙のキラル非対称性は弱い相互作用で最も明確に現れており、これが物理学者がそれを生命のホモキラリティに結び付けようとした方法です。
一つの可能性は、キラル分子の2つのエナンチオマーが異なる安定性を持つという事実に由来しています。原子は主に電磁力によって分子に結合されており、弱い力は、その名前に忠実に、結合エネルギーの10の18乗分の1程度を寄与しています。それ単体では、この10の-18乗の安定性の差は、地球の生前生化学をホモキラリティに押しやるための種として十分ではないでしょう。
Salamの機構とコールドエンバイロメント
電弱統一でノーベル賞を共同受賞したAbdus Salamは、この差を増強するメカニズムを提案しました。アミノ酸が外太陽系のような極めて冷たい環境で形成された場合、それらは超流体状態に入ることができ、その中で安定性の低いキラリティがより安定なものに変換されます。
これらは、私が先ほど言及した彗星や小惑星によって地球に運ばれ、十分な弱い相互作用誘発キラル偏向を持ち、その後ホモキラリティまで雪だるま式に増える可能性があります。
しかし、これほど多くのステップなしに弱い相互作用のキラリティを抽出する方法があるかもしれません。このキラル非対称性は、弱い相互作用によって媒介される粒子崩壊生成物で最も強く現れます。
宇宙線による弱い相互作用キラリティの伝達
例えば、パイ中間子が弱い相互作用を介して電子またはミュー粒子に崩壊するとき、その粒子の磁気モーメントは常に粒子の運動と反対方向にあります。そして崩壊生成物のこのキラリティは、宇宙のキラリティをすべての生命に課す新しい方法を私たちに与えます。
そして配達メカニズムは宇宙線になります。太陽や超新星爆発のような高エネルギー宇宙現象からの高エネルギー粒子です。
宇宙線が地球に到着すると、それは大気中の他の粒子と衝突し、「大気シャワー」を作り出します。宇宙線の運動エネルギーは、加速器衝突のように、より多くの衝突と粒子にカスケードする新しい粒子対に変換されます。地球表面では、宇宙線シャワーから絶え間ない放射線被曝を受けています。
宇宙線の生命への影響
実際、宇宙線放射線被曝量は、地球上の生命の突然変異率を設定する重要な変数です。粒子の大部分は電子と光子になりますが、大気はそれらが私たちに届く前にうまくフィルタリングします。私たちの宇宙線放射線被曝量の約85％を占めるのは、稀で高い貫通力を持つミュー粒子であり、シャワーの粒子の1％から2％しか占めていないにもかかわらずです。
高エネルギーイオン化放射線として、これらのミュー粒子は分子を分解することができます。しかし、分子を分解するためにミュー粒子が分子にエネルギーを放出する能力は、部分的にミュー粒子と分子の相対的キラリティに依存します。
したがって、ミュー粒子が宇宙の根本的非対称性のためにキラリティ優先性を持つなら、これは初期地球上の特定の分子キラリティに対する進化圧に変換することができます。
Globus & Blandfordの研究
Globus & Blandfordの論文は、この効果の強度と、ホモキラリティのカスケードを開始するのに十分強いかどうかを推定しようとしています。彼らは、これらの偏極ミュー粒子の通過に基づいて異なるタイプのキラル分子に与えられる損傷を近似するために計算モデルを使用しています。
完全な量子力学計算ではありませんが、アミノ酸のような単純なキラルモノマーやRNAのようなヘリカルポリマーのモデルがあり、イオン化の差がどのように分子損傷につながるかを理解できます。アミノ酸のようなモノマーの差は非常に小さく、生前生物時代にホモキラリティへの重要な動きが起こった可能性は低いことを示しています。
しかし、彼らはRNAのようなヘリカルポリマーの差がはるかに強いことを発見しました。左巻きRNAは優先的に損傷を受け、おそらく移行生物時代に右巻きRNA世界への道を開始するのに十分かもしれません。少なくとも、十分に強い宇宙線ミュー粒子の率が与えられれば。
宇宙線フラックスの変動と時間的要因
ミュー粒子は地上に到達する宇宙線の大きな割合を占めていますが、現在のレベルでキラリティ雪だるまを開始するのに十分あるかどうかは疑問です。しかし、宇宙線フラックスは時間とともに変化します。
例えば、近くの超新星はそのフラックスを劇的に増加させることができます。私たちは、より最近の時代から超新星起源の宇宙線スパイクの地質学的証拠を見ています。地球が最初に形成されたとき、星形成、そして超新星活動がより高かったに違いなく、宇宙線スパイクのより多くの機会を与えていることを私たちは知っています。
また、太陽がより若かったときはより活発だったことも事実で、これは生命をキックスタートするために必要な時にもっと太陽宇宙線があったことを意味します。
検証可能な予測と将来の研究
これまでのところ、これは多くの推測です。しかし、私たちは科学者なので、テストを見つけたいと思います。生前および移行生物地球の分子住民はずっと前に消え去り、それらと共に非ホモキラリティの記録も消えました。
しかし、ホモキラリティが弱い相互作用のキラル非対称性に起源を持つというこの仮説は、私たちがテストできる劇的な予測をします。それは、すべての生命が宇宙のどこでも同じキラリティを持つべきだと示唆しています。私たちは決して鏡像反転した生命を見つけるべきではありません。
もしそうしたら、それは私たちのキラリティが宇宙的に定められているという悪いニュースです。また、おそらくそれと握手するべきではありません。社会的に気まずく、私たちが防御を持たない鏡像病原体のため潜在的生物災害になるでしょう。
宇宙からのキラル偏向証拠の探索
しかし、エイリアンテストはおそらく非常に遠い将来の話で、もし私たちがそれを実行できるとしてもです。しかし、はるかに早く試すことができることがあります。宇宙からのアミノ酸のキラル偏向を探すことができます。
隕石サンプルにこの争点のある証拠があると私は言及しました。まあ、地球の汚染がないことを確認するために純粋なサンプルが必要です。彗星でアミノ酸を見つけましたが、まだキラル偏向をテストできていません。これらの分子が常に左巻きエナンチオマーに偏向していることがわかれば、それは根本的偏向の証拠です。
異なるサンプルで異なる偏向を見た場合、それは偏光のようなあまり根本的でない源を示唆するかもしれません。
私たちが最終的にエウロパとエンケラドゥスの衛星の地表下海洋からサンプルを得たとき、そこで生命を見つけるかもしれません。しかし、アミノ酸だけを見つけたとしても、それはまだ刺激的です。キラル偏向の測定は、その偏向の増幅メカニズムについて多くのことを教えてくれるでしょう。
研究の限界と地球生命起源への示唆
重要な偏向は、実際には宇宙線仮説に対する反証になるでしょう。なぜなら、表面の氷床がそれらのミュー粒子を止めることを期待するからです。同様に、もし私たちが最終的に地球の生命が海の底で始まったと判断した場合、それは海がミュー粒子を止めるため、ミュー粒子仮説に対するマイナス点です。
ミュー粒子起源のキラル偏向生命は、おそらく宇宙線に晒されている潮だまりで始まったのでしょう。
最新の研究動向
私たちが先ほど論文を映した時に注意深く見ていたなら、それが2020年のものであることに気づいたかもしれません。そこで、このビデオのためにGlobus博士に連絡を取り、新しいことについて尋ねました。
現在、彼らはISIS中性子・ミュー粒子源で新しい実験をしており、左巻きと右巻きの両方のRNAをスピン偏極ミュー粒子のビームで爆撃し、反応率を測定し、生化学がどのように反応するかを見ています。
私たちは数か月で地球上の生命の起源についてもっと多くのことを知るかもしれません。これらの実験は、人間の健康への放射線影響を理解するための私たちのモデルの重要なギャップを埋めることにもなります。結局のところ、あなたのDNAを破壊する粒子は、放射線が私たちを殺す主要な方法の一つです。
結論：宇宙物理学と生命の神秘
そう、天体物理学が再び命を救っているのです！これは、たとえ私たちがなぜすべての生化学が一方向なのかを発見しなかったとしても、良い慰めの賞です。
しかし個人的には、私のDNAの不変の巻き方が時空のより深い破れた対称性に本当に関連していることを願っています。
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