シリコンベースの地球外生命体をお探しですか? 息を止めないでください。

地球上では、シリコンは岩石やガラス、コンピューターチップの材料です。生命体の中にも存在し、植物や藻類の珪藻の殻、そして私たちの体内の痕跡として存在します。しかし、私たちが知っている生命体は、この元素をそれほど利用していません。

地球上の生命にとって重要な成分は、炭素です。私たちの細胞は、炭素骨格に他のいくつかの元素が結合した、目もくらむほど多くの分子から構成されています。

しかし、シリコンも良い候補であるように思える。「生命体としてどこかに存在したいなら、ありふれた、簡単に手に入る構成要素を取りたいものです。それはもちろん炭素ですが、ある程度はシリコンでもあります」とベルリン工科大学の宇宙生物学者、ディルク・シュルツェ・マクフ氏は言う。

SF では、退屈な古い炭素の代わりにシリコンを使用するエイリアンについて推測するのが大好きです。現在、科学者は生きた細胞を巧みに操って、この 2 つの元素を結合させることに初めて成功しました。シリコンベースの化合物を与えると、アイスランドの温泉の細菌に通常含まれるタンパク質が生きた細胞内で炭素とシリコンの結合を持つ分子を形成できると、研究者は 11 月 25 日のScience 誌に報告しました。

「すでに自然界に存在するものが、このまったく新しい化学反応を起こす準備ができており、しかも比較的うまくやっています」と、カリフォルニア工科大学パサデナ校の化学エンジニアで共著者のフランシス・アーノルド氏は言う。「これは、自然界がこれまで作ったことのない化合物を作る道を切り開きます。そうすれば、それが生体システムにどのようなコストと利益をもたらすかを探ることができます。」

シリコンを基盤とする生命は地球上では生きられない。しかし科学者たちは、宇宙の中で生命にとってより適しているかもしれない場所を想像し、地球の生化学にシリコンを導入し始めると何が起こるかを探ることができる。

炭素が支配する場所

炭素とシリコンには化学的類似点がいくつかある。「周期表では炭素のすぐ下に位置するため、炭素と同じ特性をいくつか持っています」とシュルツェ・マクフ氏は言う。炭素と同様に、シリコンは一度に 4 つの原子と結合できるため、DNA やタンパク質のような大きく複雑な分子の魅力的な構成要素のように見える。

そして、シリコンは地球の地殻の約30パーセントを占めており、酸素に次いで2番目に豊富な元素であるため、十分に存在しています。

では、なぜ地球上にシリコンベースの生命が存在しないのでしょうか?

基本的に、地球は炭素を主成分とする生命が繁栄するのにちょうど良い条件を備えているが、ケイ素を主成分とする生命が定着するには苦労するだろう。

純粋な炭素は、地球上でグラファイトやダイヤモンドとして存在することができます。「炭素は安定しており、酸素とすぐに反応しません」とシュルツェ・マクフは言います。炭素を含む化合物が燃焼して酸素と反応すると、二酸化炭素が形成され、それが生命に利用されます。

一方、シリコンは単独では見つかりません。シリコンが酸素と出会うと、空気中を漂っていても水中であっても、酸素を吸収してケイ酸塩を作ります。これらはシリコンと酸素を含む化合物で、地球上の岩石や鉱物のほとんどを形成します。「酸素や水が加わるとすぐに岩石ができ、それ以上何も起こりません」とシュルツェ・マクフは言います。

また、地球上の生命にとって水は不可欠だが、シリコンベースの生命は地球と同じように水を利用することはできない。その生化学は、その機能の多くを別の分子（おそらくメタン）に頼らざるを得ないだろう。

「シリコンはあらゆるところに存在しますが、岩石に閉じ込められています。シリコンと酸素の結合は非常に強く、生命体がシリコンを使用するにはこの結合を断ち切らなければなりません」とアーノルド氏は言う。「そして、いったんシリコンが使用されると、おそらくその化合物は地球の条件下では安定しなくなるでしょう。」

つまり、類似点があるにもかかわらず、シリコンと炭素は異なる挙動を示す。「決して完全に同じ代替物というわけではありません」とアーノルド氏は言う。「この惑星の通常の条件下では、生命はシリコンなしではおそらく機能しないでしょう。」

しかし、シリコンベースの生命がどこか他の場所で繁栄する可能性はあるだろうか?

シリコンの領域

土星最大の衛星タイタンの表面温度は、華氏マイナス290度と極寒だ。この衛星には酸素がほとんどなく、水はすべて凍っているが、奇妙な川や湖には液体メタンが流れている。地球外の細胞を作る可能性のあるシリコンベースの化合物（シランと呼ばれる）は、このような条件下では安定しているはずだ。

そのため、一見すると、タイタンはシリコンベースのエイリアンにとって魅力的な不動産のように見える。「しかし、タイタンの問題は、炭素が非常に多いことです。地球よりも炭素が多いのです」とシュルツェ・マクフ氏は言う。「私たちのモデルは、今のところシリコンはあまりないことを示唆しています。」

タイタンに実際に存在するシリコンは、衛星の中心核の近くの奥深くに埋まっている。「シリコンベースの生命をもっと増やすには、表面にシリコンが存在し、利用可能でなければなりません」とシュルツェ・マクフ氏は言う。「しかし、これが当てはまる可能性のある惑星や衛星、シナリオを想像することはできます。」

科学者たちはまた、マグマ溜まりの極度の高温の中で生息できる岩石珪酸塩でできた生命についても推測している、と彼は言う。

もう一つの可能​​性は、炭素を単にシリコンに置き換えるのではなく、シリコンに依存するエイリアンの存在だ。このエイリアンは、炭素とシリコンを結合させた分子を使用する。炭素とシリコンの結合を持つ物質はすでに宇宙で発見されているが、「非常に稀で、炭素化合物は他にもたくさんある」とシュルツェ・マクフ氏は言う。「生命はおそらくそれでも苦労するだろう」

地球上の生命体以上にシリコンに依存する生命体が存在する可能性はあるが、それが一般的な存在となる可能性は低い。「非常に稀な存在だとは思うが、どこかに存在することは想像できる」とシュルツェ・マクフ氏は言う。

地上の展望

アーノルド氏とその同僚による新たな研究は、地球上の生命がなぜそれほど少ないケイ素を使用するように進化したのかについての手がかりを与えてくれるかもしれない。

彼らが最初に遺伝子操作した大腸菌を使って炭素-ケイ素結合を形成できるタンパク質を生産したとき、そのプロセスはあまり効率的ではありませんでした。しかし、数回の変異の後、酵素は研究室で使用された化学的手段よりも 15 倍効率的に有機ケイ素分子を生成しました。彼らは 20 種類の化合物を生産しましたが、すべて安定していました。

つまり、酵素は炭素とケイ素の結合を作るのにそれほどの刺激を必要としなかった。それでも、自然界ではおそらく起こっていない。「生物系ではとても簡単にできるのに、自然界で行われていないとどうしてわかるのか、と反論する人もいるかもしれない」とアーノルド氏は言う。「よくわからないが、可能性は極めて低い」。彼女とチームがバクテリアに与えて新製品を作るために与えたケイ素含有化合物は人工物で、バクテリアが通常、環境中で遭遇することはない。

しかし、研究室で作られた炭素とケイ素の結合は決して軽薄なものではありません。同様の方法を使って、細菌に私たちが必要とする製品を作らせることもできます。

炭素とケイ素の結合を自然に形成する生命体は知られていないが、こうした化合物を作る方法は絶えず見つかっている。炭素とケイ素を結合する分子は、医薬品から電子機器まで、多くの製品に見られる。これらは研究室で作らなければならないが、アーノルド氏は微生物を使ってこうした化合物を作れば、より安価で環境に優しく、貴金属を消費せず、室温で作れるようになると期待している。

「酵素は、化学者が自分たちにしかできないと思っていたことを実現できるのです」とアーノルド氏は言う。そして、私たちがすでに使っているものをより良く作る方法が得られるだけでなく、新しい材料を発見できる可能性もある。

「化学結合は何千もの異なる分子に現れる可能性があり、そのうちのいくつかは役に立つかもしれません」とアーノルド氏は言う。「それらはすべて、細菌に作らせるだけで簡単に入手できる、まったく新しい化学物質です。」

化学者は、シリコンが生きた細胞に導入されると何が起こるかを調べることができます。「おそらく、シリコンを組み込んだ生命の構成要素、おそらくシリコン脂肪やシリコン含有タンパク質を作り、生命はそれで何をするのかを問うことができるでしょう」とアーノルド氏は言います。「細胞は炭素があるかシリコンがあるかを認識していないのでしょうか？細胞はそれを吐き出すだけでしょうか？細胞はそれを食べるのでしょうか？…それは生命が以前には持っていなかった新しい機能を提供するのでしょうか？」

シリコンの導入が生命に有益であるか、少なくとも害を及ぼさないようであれば、適切な材料にアクセスできれば、地球上の生物はシリコンをもう少し利用できる可能性があることを示している可能性があります。

科学者たちは、微生物を誘導して、生命が通常拒絶する他の元素に炭素を付着させることができるかどうかも研究するかもしれない。「自然界にはほとんど影響のない周期表がある」とアーノルド氏は言う。生命は炭素、酸素、窒素、水素が大部分を占め、他の元素もいくつか散りばめられている。

「他の要素を取り入れると何が起こるでしょうか？ 自然はそんなことが可能なのでしょうか？」とアーノルド氏は言う。「化学者が解明したことのうち、実際に自然に教えられるものがどの程度あるか見てみたいですね。そうすれば、化学工場をバクテリアに置き換えることができるかもしれません。」