2021年7月29日木曜日

2_195 LUCA 4:細菌ドメイン

 生物には、未発見の種が多数いることはよく知られています。生物学者も知らないような、分類も不明な生物が、大量にいることが、数年前に見つかりました。そんな生物種の発見の物語です。


 前回、天然の原子炉オクロの紹介をしました。半減期の長い放射性元素は、過去ほど多かったことになるので、ウランが濃集するような堆積場があれば、天然の原子炉、あるいは放射崩壊に伴う放射線や崩壊熱が多いところも、各地にあったと考えられます。そのような場を生命誕生の場と考えようとする仮説が最近出されました。

 この仮説は、不思議な生物のグループが多数存在していた、という報告がもとになっています。まずは、その報告からみていきましょう。2015年にBrown博士らが、Nature誌に発表した論文でした。

Unusual biology across a group comprising more than 15% of domain Bacteria

(細菌ドメインの15%以上を構成するひとつのグループの特異な生物学)

というタイトルでした。

 このタイトルの「ドメイン」とは、界より上の生物の分類の階層になります。かつて、モネラ(原核生物)界、原生生物界、植物界、菌界、動物界の「5界」が、分類のもっとも上位の区分でした。ところが、モネラ界の中で、古細菌の特徴が、他とはかけ離れていることがわかり、別の分類グループにする必要がでてきました。そのために、古細菌ドメインと細菌ドメインが区分されました。ところが両ドメインの違いは、真核生物内の4つの界より大きいもので、ひとつにまとめて、最上の分類では真核生物ドメインに一括されました。

 その細菌ドメインの中で新たな分類グループ(門)が見つかりました。全く未知の生物群があり、それらは共通して特徴をもっていました。その研究では、メタゲノミクスという方法が用いられました。

 ひとつの生物のゲノムを解析するには、その生物だけを増やし、つまり培養して一定量のゲノムを集めないと解析できません。しかし、混在(ミックス)した状態でゲノムのDNAを抽出して、そのまま分析してしまう方法がメタゲノミクスです。この方法では、個々の生物のゲノムを区別しては解析できませんが、グループ全体の概要を掴むことができます。なんといっても、培養できない生物の特徴を知ることができます。

 Brown博士らは、アメリカのコロラド川の近くの帯水層からの地下水を採取して、細菌を調べました。膨大な細菌が混在したゲノムを、メタゲノミクスとして分析をした結果、細菌ドメインの内の区分で、その下の階層として門(Phyla)があるのです、35門以上でゲノム解析をしました。そのうち8個で完全なゲノム解析をこない、789個でゲノムの概要の解読をしました。

 これらの膨大なデータを検討した結果、ひとつの特徴的なグループが見いだされました。このグループは、共通した進化をしてきたと考えられ、今回分析された全細菌のうち、15%以上が属することになりました。そのグループはCPR(Candidate Phyla Radiation)と呼ばれました。

 CPRとは、「門の候補となる放散群」とでも訳すのでしょうか。このCPRは、その後ももっとたくさん発見されており、これまで知られている細菌の種類の全体に匹敵するほどの量になのではないかと推測されています。

 今回は、CPRの発見の話でしたが、次回は、このCPRと生物進化の関係を考えていきます。


・Mathodのページ・

Brown博士らの論文は本文が4ページです。

NatureのLetterですが、Letterの論文としては長いくらいです。

しかし、付録として、研究のMathod(方法)が

4ページにわたって小さな文字が書かれています。

また参考資料が9ページ分もついています。

デジタルですので、このような方法がとれるのでしょう。

客観性を担保し、反論ができない、

つまり結果が正しいとみなせるような情報が提示されました。

これはかなりインパクのある論文となりました。


・培養困難・

Radiationには、放射線という意味もあるのですが、

生物学では「放散」という意味もあります。

このシリーズでは、放射線に関して述べているので

混乱を招くかもしれませんが、

ここでは、まだ分類が未確定なグループとなります。

生物の分類上の位置の確定は、

培養して、ゲノムを集めるという作業が必要になります。

これが、なかなか難しいものです。

詳細は次回以降に説明します。

2021年7月22日木曜日

2_194 LUCA 3:天然の原子炉

 思いもよらぬ現象が、自然界では起こっています。その現象が発見されたとしても、他への場面に適用するには、発想の転換が必要になります。その転換が正しいかどうかは、新らな検証が必要になります。


 熱水噴出孔を生命誕生の場とするのが、現在、主流の考え方です。しかし、最近、全く異なった生命誕生の場が提案されてきました。天然の原子炉を利用した誕生の場です。

 天然の原子炉とは、どういうものかを、まずは理解しておく必要があるでしょう。

 原子炉とは、制御しながら核分裂反応を起こして、核分裂で放出されるエネルギーを発電に利用するものです。ウランには核分裂する核種をいくつか含んでいます。核分裂しても、連鎖反応がおこらなければ、通常の放射崩壊になります。連鎖反応を起こすには、ウラン(235U)の濃度が大きくなっていなければなりません。

 原子力発電所では、ウラン濃度を大きくして、制御できる状態で連鎖反応を起こして発電しています。連鎖反応を起こす濃度を臨界状態といい、放射性核種(235U)の濃度が3~5%になったものです。

 現在では天然のウラン鉱石では、濃度が臨界状態に達することはないのですが、あるウラン鉱山から不思議な鉱石が見つかりました。ガボン共和国のオクロでは、20億年前に堆積したウラン鉱があります。このウラン鉱石を調べていくと、ウランの同位体組成(235U/238Uの比)が、通常の天然の鉱石は0.7202%なのですが、オクロのものは0.600%となっていました。小さな値の差なのですが、これは有意の差となっていました。他の同位体組成(NdやRu、Xeなど)でも、他の鉱石と違いがありました。

 この違いを調べていくと、1972年に天然の状態で、原子炉と同じように臨界状態で核分裂の連鎖が起こったためだとわかってきました。しかし、古いほど、天然状態で核分裂を起こすほどのウラン濃度はあった可能性は、黒田和夫さんが、1956年にすでに予測していました。予測通りの現象が発見されたのです。

 20億年前のウラン鉱床では、ウラン(235U)が3.54%もあり、そこで減速材となる水があれば、連鎖的な核分裂が可能となります。計算していくと15万年間ほど、核分裂を起こしていたことがわかってきました。その後、似たような天然の原子炉が、世界各地の16箇所で見つかっています。

 もっと古い原始地球(冥王代)ならば、ウランが20%を越えていてもいいはずだと推定されます。つまり、古い時代には天然の原子炉がもっと一杯あったことになります。丸山茂徳さんたちの研究グループは、冥王代には核分裂の熱により、温泉や間欠泉が多数あったはずだと考え、それを利用して生命が誕生したのではないかと提案しました。岩石群の中を熱水が通り抜けることで、生物誕生に必要な成分が集められ、核分裂反応で化学反応が進むと考えられました。その痕跡が現在も見つかっています。それは次回としましょう。


・猛暑・

週末に2泊3日の調査にでました。

ちょうど北海道も猛暑に当たり、

暑さでバテてしまいました。

外にいる時はいいのですが、

ホテルでの寝る時、エアコンでは寒いし

エアコンを切って窓を開けると暑いしと

調整がうまく行かなかったので

熟睡できず疲れが取れず、ぐったりと疲れました。

帰ってきたら、もっと暑い日が待っていました。


・原子爆弾・

核分裂は、放射性核種では

定常的に起こっている現象です。

核分裂を安全に連鎖反応として起こすためには、

制御する必要があります。

制御されたないものは原子爆弾となります。

臨界にならないサイズで

濃度を大きくしておいた核物質を用意しておき、

それを合体させることで臨界にして

一気に核分裂を起こすことで爆発させます。

それなりに難しさもありますが、

発電よりは簡単です。

制御して発電に利用するのは、緊急事態への対処など

難しい問題がいっぱいあります。

福島原発は制御できない状態が起こったことになります。


2021年7月15日木曜日

2_193 LUCA 2:熱水噴出孔

 地球上で生物を生み出すためには、多様な化学反応が必要になります。なおかつ、合成のために反応物が素材として安定供給され、生物が合成されるために、多数の試行錯誤ができる条件も必要です。それはどこでしょうか。


 最初の生物は、LUCA(最終共通祖先)以外にも、いくつかの呼び方をされていました。最近ではLUCAと呼ばれることが多いのですが、以前はコモノートと呼ばれていました。同じ祖先という生物になるはずなのですが、概念が少し違っています。

 現在の生物でもっとも原始的な生物である古細菌のうち、好熱性古細菌のDNAが環状になっていることがわかりました。環状DNAは、真正細菌も持っているものもいることがわかりました。各分類体系のもっとも原始的だと考えられる生物が、環状DNAをもっていました。そこで、古細菌と真正細菌の共通する祖先を「コモノート」と呼びました。一方、LUCAは、真核生物も含めてすべての生物の祖先として、細菌や古細菌、真核生物の共通の祖先と考えたものです。

 これまでの研究から、もっとも原始的な生物に共通する性質は、現在の生物と比べれば、高温の条件で生育し、遺伝子の数は少なく、DNAも小さいと考えられます。

 ここで高温とは、45℃以上、時には80℃以上を意味します。このような生物の性質を好熱性と呼びます。80℃以上などは、身近なの生物では、高温すぎて生きていけないものが多くなります。ところが、好熱性生物においては、そのような高温条件で、代謝などの生存のために必要な化学反応が、活発に起こることを示しています。

 陸地や浅海では、多様な環境があり、多様な化学反応が起こるので、生物の材料になる多様な反応物ができやすくなります。生物が誕生し、増殖するためには、反応物が継続的に形成され、生物合成のために安定した環境も必要になります。古い時代の地球で、陸地や浅海の環境は、変動が激しく不安定であったと考えられます。そのため、生物の誕生と進化には、適していなかったと考えられます。

 このような条件を満たす環境は、熱水噴出の場が想定されています。現在の海洋の海嶺や火山島などでは、熱水が噴出が活発に起こっています。原始の地球は、地球内部には現在より熱が多くあったので、もっと活発な火山活動が起こっていたはずです。海底での熱水噴出の活動で多数起こっていたと考えられます。深海底の熱水噴出孔は、当時も現在も、地球ではもっとも安定した環境でもあったはずです。

 熱水噴出孔であれば、化学が起こり、その反応物を使って生物ができ、進化できるための時間もあったと考えられます。そこで生まれたのがLUCAとなります。LUCAは深海の熱水噴出孔がもっとも大きな可能性があると考えられてきました。


・線状降雨帯・

当初、雨があまり降らない梅雨でしたが、

最近は、本州も梅雨前線の活動が激しく

洪水被害も各地で起こっています。

今年は、北海道の涼しい天候が続いています。

線状降雨帯は最近聞くようになりました。

降雨レーダーなどの観測技術の発達により

これまであった現象をより正確に捉えられるようになりました。

それによって多くの人命が救われることになっています。

COVID-19でも同様に最新科学の情報を

科学的判断として活かして欲しいものです。

政治家の政治的判断で失われた命はどうなるのでしょうか。


・無事が一番・

明日から3日間、野外調査にでます。

久しぶりの野外調査になります。

昨年はまったく調査に出ることができませんでした。

今回は少し新しい露頭を探して調査しますが、

多くは以前にも行ったことのある露頭です。

ある程度様子がわかっているところが多いので、

大丈夫だと思います。

コロナ自粛で動き回ることもままならず

体力も落ちているはずです。

無理をせず、怪我をせずに

無事に終えることを最優先しましょう。 

2021年7月8日木曜日

2_192 LUCA 1:最終共通祖先

 「私たちはどこから来たのか」ということを考えていきます。哲学的な問いですが、このシリーズでは生物のもっとも最初の種、生物の誕生を考えていきます。生物の誕生は、現在、どのような考え方があるのでしょうか。


 「私たちはどこから来たのか」という問いは、さまざまな内容が考えられます。哲学的な内容としては、人や自分の「存在意義」や「存在理由」などを問うこともあるでしょう。その問いの内容やレベルによって、求める答えはいろいろになってくるでしょう。多様な答えがありえるでしょうが、そもそも答えがあるかどうかもわかりません。そのような理由で、わかりにくい問いになってしまいます。まずは問いの意味をよく考えないといけません。

 その問いの意図を「由来」と尋ねることとした場合、自身の出生や親、祖父母、祖先などの由来、あるいは家系や氏族の由来まで、たどり着くでしょう。さらに問いを続けると、祖先を辿(たど)ることになってきます。

 私たちの祖先を辿るということは、ヒトという生物の種の祖先を辿ることになります。ヒトの祖先をもっとも古い種まで辿ると、新種として他の種(ここではA種と呼びましょう)から別れてきたはずです。A種とは、ヒトに似ているでしょうが、異なったもので、より以前から存在していた種になるはずです。では、A種の由来を尋ねていくと、より以前のB種、C種・・・とヒトに似た種を遡っていきます。それは霊長類の由来を辿ることになり、さらに遡ることは、哺乳類、脊椎動物、動物、真核生物・・・の由来は、となってきます。最終的には、生物の誕生に辿り着くことになるでしょう。

 このような祖先をたどる作業では、化石が見つかれば、祖先であったかどうかを確認できるはずです。しかし、硬い部分をもたない生物、単細胞生物にまで遡ることになり、化石は見つかるのは難しそうです。もし、「化石らしきもの」があったとしても、それが昔の生物であったかどうかの確認は難しいかもしれません。

 多分、生命の誕生、最初の生物の化石は、見つかりそうもなさそうです。直接の検証できそうな物証がないとすれば、他の方法で推定していくしかありません。

 現在の存在している生物で、もっとも原始的な種を祖先に近い種とみなす方法、その生物の遺伝子から探る方法、生物をつくるのにもっともらしい化学反応や有機物などの素材合成から考える方法、材料物質の隕石から考える方法、などいろいろなものがあります。

 いずれも、祖先となる生物として一つの種からできていたきと考えています。このような考え方を「共通祖先」といいます。その名称として、最終共通祖先(Last universal common ancestor:LUCAと略される)、コモノート、センアンセスター、プロゲノートなど、いろいろなものがあります。その意味するところも、重なっていたり、異なっていたりします。このシリーズでは、LUCAと呼ぶことにします。

 「共通祖先」は架空の生物ですが、存在するとして、それがどのようなものかを推測していこうとします。その詳細は次回にしましょう。


・危機管理レベル下がる・

大学は今週から危機管理レベルが下がり

一部対面授業がもどってきました。

これは、4月の新年度のスタートの状態に戻ったことになりました。

まだまだ、正常とはいえませんが、

学生の顔をみながら授業ができます。

大学でも職域接種と申し込んだのですが、

その結果や連絡はないそうです。

政府のワクチンの数の見込み違い、

あるいは無計画な募集だったのでしょうか、

かなりおそまつな事態です。

大学では、職域接種で後期の授業から

通常状態に戻れると期待したのですが、

まだ少し先になりそうです。

学生は、1年半、遠隔授業を強いられています。

早くなんとかしてもらいたいものです。


・野外調査の再開・

来週末に、やっと野外調査にでかけられます。

出張にあたっては、2週間前に連絡を入れて、

許可をもらってからでるようにとの指示があるので、

危機管理レベルが下る前に準備をして、

下がった直後に申請しました。

そして許可が下りたので、久しぶりの野外調査です。

5月下旬に予定していたコースにでかけます。

2021年7月1日木曜日

6_189 地球外生命 7:系外惑星からの電波検出

 うしかい座タウ星の系外惑星から、電波の放射が観測されました。人工的なものではないのですが、電波の放出のメカニズムが、解明されていくことになるでしょう。将来、地球外文明の検出の手段の確立にもなりそうです。


 電波放射を観測したという報告がありました。その論文は、Astronomy & Astrophysicsに掲載されたもので、

The search for radio emission from the exoplanetary systems 55 Cancri, υ Andromedae, and τ Boötis using LOFAR beam-formed observations

(LOFARビーム観察を用いたかに座55番星、アンドロメダ座ウプシロン星、そしてうしかい座タウ星の系外惑星系を電波放射の探索)

というタイトルでした。ニュースは2020年ですが、発表は2021年のことでした。

 このタイトルをみると、LOFARという装置を使ったということ、またうしかい座タウ星以外の天体も調べていることがわかります。

 LOFAR(LOw Frequency ARray)とは、多数の電波望遠鏡をひとつの巨大な電波望遠鏡とみなし、250MHzよりも低い周波数の電波を観測する方法です。口径が大きくなると観測の分解能が上がり、また一度に複数の方向を観測することも可能になります。

 近くの天体を、感度のよい電波望遠鏡で観測すると、非常に微弱な変化も捉えることができます。複数の位置で測定しますので、電波を重ね合わせると、干渉し合うことになりますが、周辺と天体の方向に干渉に違い生じます。その干渉の振幅と位相には、天体の位置や明るさなどの情報が含まれています。それを解析することで、天体のその波長による特徴を調べることができます。

 研究チームは、この観測方法で電波放射を検出できるかどうかを検証するために、予察として木星で事前観測をおこなっています。木星が系外惑星だとしたら、どのような電波放射になるかシミュレーションをしておき、実際の観測をして観測と比べています。その結果が、予測どおりとなり、うまくいくことを示しています(2019年1月29日)。このような準備のもと、観測がおこなわれました。

 かに座55番星、アンドロメダ座ウプシロン星、うしかい座タウ星の2つの天体で、約100時間にわたり観察がされました。その結果、うしかい座タウ星の惑星から、14~21MHzでの電波放射が検出されていることがわかり、報告になりました。

 系外惑星からの電波放射としては、はじめての観測となります。ただし、今回の観測の電波は弱く、本当にうしかい座タウ星bから放射されたかどうかも、確かではありません。研究チームはさらに観測を継続するようです。

 もしこの電波放射が事実だったとしても、天体からの電波の放射は自然現象でも起こります。事前観測で木星の電波を利用していますので、惑星から自然現象で、電波放射が起こっています。系外惑星の電波放射が発見されたら、この放射を起こした現象があったことになります。磁場が大きな要因になります。もしうしかい座タウ星bに磁場があるとすると、内部構造が推定され、大気の散逸メカニズムもわかるようになってくると考えられます。

 将来は、系外惑星での居住可能性、あるいは文明の有無をなどまで、観測できるかもしれませんね。少々、夢物語かもしれませんが。


・経過区域・

7月になりました。

北海道は、自宅も大学のある地区も

緊急事態宣言が解除されました。

ただし、経過区域となっているので、

感染防止対策をしながらの対応です。

それを受けて、大学も今週まで危機管理レベルが

以前のまま維持されることになりました。

講義も遠隔授業が継続されています。

来週からは、どうなるか未定ですが、

もし危機管理レベルが下がれば

一部、対面授業ができるかもしれません。

そうなればいいのですが、どうなるのでしょうか。


・野外調査・

来週もし大学の危機管理レベルが下ると

感染対策をしながらですが、研究出張も可能になります。

そうなれば、野外調査に出かけようと準備しています。

緊急事態宣言の発出前に予定していた調査が

中止になったので、同じコースで準備しています。

出かけるとしたら、再来週になります。

その時期は、夏休みに入りそうなので、

人出が多くなりそうです。

野外調査もどうなるか不明ですが、期待しています。