地質学の化学：死んだ土壌が今なお呼吸するとき

15年間にわたり、生化学者の Sébastien Fontaine は、ある奇妙な闘いに取り組んできました。それは、土を殺すという試みです。生命の存在しない土壌における炭素排出の基準値を確立するため、Fontaine とフランス国立農業・食品・環境研究所（French National Institute for Agriculture, Food, and Environment）のチームは、ガンマ線を用いて土壌サンプルを滅菌しました。彼らは、生命がいなくなれば、微生物の呼吸の証である二酸化炭素の排出が完全に停止すると予想していました。

しかし、実際には土壌が「呼吸」を続けていることが判明したのです。放射線によって微生物が死滅した後も、そしてその後数年間にわたっても、滅菌された土壌は酸素を消費し、二酸化炭素を放出し続けました。この発見は、「代謝は生細胞に特有のプロセスである」という根本的な生物学的仮定に疑問を投げかけています。

非生物学的呼吸の持続性

Fontaine の発見は、当初、懐疑的な目で見られました。科学界の多くは、その結果を実験上の誤差（アーティファクト）として片付けるか、あるいは土壌が完全に滅菌されていないのではないかと指摘しました。しかし、チームは10年を費やして、サンプルの無菌状態を厳密に証明しました。電子顕微鏡を用いて細胞を特定しましたが、染色によって RNA と DNA が存在しないことが確認され、それらの細胞が死んでいることが証明されました。

さらなる調査のため、チームは6年間にわたる実験を行いました。グルコースを補充した土壌は、より高い排出率を示すことが観察され、土壌中の非生物学的な触媒が、糖の代謝分解に似た反応を誘導していることが示唆されました。

クレブス回路（Krebs cycle）の模倣

この研究の最も驚くべき側面の一つは、クレブス回路（Krebs cycle）に似たプロセスが観察されたことです。クレブス回路とは、細胞が炭素に富んだ分子から高エネルギー電子を取り出すために使用する一連の反応です。Fontaine のチームは、6ヶ月経過した滅菌土壌において、クレブス回路の中間分子8つのうち4つを観察したと報告しました。

これが単なる表面的な化学反応ではないことを証明するため、Fontaine は電子の流れを検出するための燃料電池を開発しました。その結果、放射線照射された土壌を通過する電流は、対照群の塩水溶液よりも著しく高く、酸素依存的な代謝に一致する電子の流れを示しました。

地質学の化学 vs. 生化学

この研究は、「生命の化学」が、実は「地質学の化学」である可能性を示唆しています。有機化学者の Joseph Moran は、生命の化学は生命に特有のものではないと指摘し、これらの代謝反応が生物学的細胞の出現に先立って存在していた可能性を暗示しています。

鉱物触媒の役割

土壌生態学者の Joshua Schimel は、土壌中の鉄やアルミニウム酸化物の存在がグルコースの酸化を触媒し、自然にクレブス回路の中間体を形成しうると示唆しています。これは、多くの古代の酵素が中心とする鉄や亜鉛といった金属が、生命が進化する前からこれらの反応を触媒していた可能性があるという、より広範な理論と一致しています。

酵素の論争

すべての研究者が、これが純粋に地質学的なプロセスであると確信しているわけではありません。宇宙生物学者 Sudha Rajamani や生化学者 Markus Ralser を含む一部の研究者は、死んだ細胞から放出された酵素が土壌に残存し、反応を触媒し続けている可能性があると示唆しています。

しかし、Fontaine と同僚の Clémentin Bouquet は、酵素活性は通常、指数関数的に減少するため、6年間も活性を維持する既知の酵素は存在しないと主張しています。彼らは、排出が長期にわたる性質から、生物学的な酵素の残骸が説明としては不当であることを論理的に展開しています。

広範な影響

滅菌された土壌が代謝を模倣できるという発見は、科学のいくつかの分野に深い影響を与えます。

The Origin of Life: もし代謝が細胞の境界に縛られずに起こり得るのであれば、それは、地球化学的なプロセスが生命の出現に必要なエネルギー勾配を作り出したとする「代謝第一説（metabolism-first hypothesis）」を支持することになります。
Astrobiology: この発見は、他の惑星での生命探査を複雑にする可能性があります。ある観察者は、代謝産物が非生物学的に生成される可能性があると指摘したように、もしそうであれば、 Mars 上の土壌実験において生命の「偽陽性」を示す可能性があるからです。
Planetary Science: 地球の地殻の最上層が、数十億年にわたる生命によって作り替えられた生物学的構造物であるという認識は、生命を宿していない他の惑星のレゴリス（regolith）における同様のプロセスが起こるかどうかという問いを投げかけます。

Clémentin Bouquet が述べるように、生命そのものに先立つプロセスが生き残っているのは、「まさに私たちの足元で」起きていることなのです。