How Long Can Life Wait?

How Long Can Life Wait?

生物は、不活性な状態で、条件が改善された際にどのくらい生存可能でいられるのでしょうか？

この問いは、宇宙探査の3つの領域に大きな影響を与えます。数年から数十年という時間スケールでは、宇宙探査機を建造する際の汚染リスクへのアプローチを決定します。数世紀から数千年という時間スケールでは、生命が初期の太陽系にどのように広がったかについての示唆があります。そして、個々の生物が地質学的な期間（数千万年から数億年）を生き残ることができるなら、小惑星や火星で生命を発見する可能性は大幅に高まります。

宇宙での生存

生存可能性という問いが最初に浮かび上がるのは、汚染の問題です。ロケットは非常に無菌的な構造物であり、フロリダの太陽の下に置かれ、打ち上げられます（微生物学的な観点から見ると）生命に満ち溢れています。潜在的に居住可能な世界に宇宙船を送る場合、宇宙の過酷な条件に滅菌を頼ることができるのか、それとも自分たちで滅菌を試みる必要があるのかを知ることが重要です。この問題は、火星にとって特に深刻です。火星への移動時間は短く、すでに地表の条件が生存者を排除するのに十分致命的ではないことがわかっています。

宇宙で生物を殺すものとして否定できないのは紫外線です。紫外線は、わずか数秒の暴露で DNA を破壊します。オゾンと原子状酸素は、地球上では短波長の紫外線を私たちに届かないようにしていますが、宇宙船の船体にある生物は、これらの有害な光線の全スペクトルにさらされます。（火星の表面も滅菌線量を受けますが、自由空間ほどではありません。）軌道上での実験では、微生物にとって宇宙を致命的なものにしているのは、寒さ、真空、宇宙線よりもはるかに紫外線であることが示されています。

しかし、それらの同じ実験では、紫外線への最悪の暴露から生物を保護するには、ごくわずかなもので十分であることが示されています。薄い塵の膜、宇宙船の隙間、あるいは仲間の死骸の体でさえ、数層下の微生物を保護するには十分です。そして、隠れるための日陰があれば、小さな生物は自分たちでうまくやることができます。

2015 年に始まった 3 年間の実験で、日本の科学者は国際宇宙ステーションの側面に細菌で覆われたプレートを吊るし、そこでどのように機能するかを調べました。彼らは、3 年後、deinococcus radiodurans のコロニーが復活可能であるだけでなく、宇宙ステーション内で 3 年間過ごした対照群よりも良い状態であったことを発見しました。彼らの推定では、D. radiodurans の 1 mm サイズのペレットは、惑星間空間への直接暴露に 2 ～ 8 年間耐え、日差しから保護されれば数十年生存する可能性があるはずです。

Tanpopo 研究の興味深い側面は、D. radiodurans が DNA 損傷に対する特別な防御機構を持っていないという事実です。放射線や真空への暴露によってどれほどひどく損傷を受けるかを見ると、宇宙で全く生き残れない E. coli のような細菌よりも成績が良くありません。しかし、D. radiodurans は、分子を断片に切断する二本鎖切断を含む DNA を修復する能力において、他のすべてを凌駕するチャンピオンであることが判明しました。DNA を直接保護するのではなく、この細菌は化学的防御（抗酸化物質）を採用して、修復酵素自体を保護します。

Tanpopo の結果やそれに類する実験は、火星探査にとって悪いニュースです。それらは、地球からの生きた微生物がすでに火星に到達し、ランダーの甲羅の下で vegetating していることを示唆しています。これらの厳しい生存者が汚染ハザードを構成するかどうかは、火星の表面が植民者候補にとってどれほど効果的な障壁であるか、そして表面と潜在的に居住可能な火星環境（おそらく地下深くに存在する）を接続する輸送経路が存在するかどうかに依存します。

宇宙での微生物の驚異的な長寿命は、NASA がミッションの終わりに高価な深宇宙探査機を木星や土星に衝突させるという方針を正当化します。これは、数十年または数世紀後にエンセラダスやエウロパのような居住可能な世界に衝突する可能性のある制御されていない軌道に残しておくのではなく、そうするのです。

隕石の中の生命

生存可能性が重要となる2番目の文脈は、初期太陽系における生命の起源のための岩石パンスペルミアシナリオを評価しようとする試みです。これらのシナリオでは、大きな衝突体が惑星 A に衝突し、生命を宿した岩石を深宇宙に放出します。これらの岩石はしばらく太陽の周りを公転し、最終的に惑星 B に落下します。相対的な脱出速度とエネルギーを考慮すると、これらのやり取りにおける惑星 A はほぼ常に火星であり、惑星 B は通常地球です。もし生物が数千年または数十万年の間、凍った岩石の中で生存可能でいられるなら、初期太陽系で生命が惑星間を移動した可能性、そして地球上の生命が火星起源である可能性が劇的に高まります。

岩石パンスペルミアは、1870 年代にロード・ケルビンが地球上の生命の起源を説明するために提唱した、ほとんど挑発的な、辺境のアイデアとして始まりました。しかし、時間はこの理論に味方し、近年、一連の重要な発見によって、それはまっすぐな信頼性の端に押し上げられました。

最初のブレークスルーは 1970 年代に起こりました。隕石の研究により、大気圏再突入中の加熱は、岩石質隕石の外側 1 ～ 2 cm に限定されていることが示されました。これは、ゴルフボールよりも大きい隕石は、内部が滅菌されることなく地球に落下できることを意味します。もし内部に何かがまだ生きていれば、1950 年代の SF 映画のように、地球を征服するために無傷で現れるチャンスがありました。

2 番目の大きな発見は、火星の岩石の小さな断片が地球上に存在する謎を説明するために 1980 年代に開発された衝突モデルでした。科学者たちは、バイキングによってサンプリングされた大気と同じ同位体シグネチャを持つ、内部に閉じ込められた空気の微細な包含物があったため、これらの岩石が火星からのものであることを知っていました。これらの岩石を宇宙に飛ばすには明らかに大変な出来事が必要でしたが、それらは蒸発したり溶融したりすることなく生き残りました。1984 年、クレーター形成の専門家である Jay Melosh は、大きな隕石衝突の近くに、直接および反射した衝撃波が干渉して、表面の岩石のシートを実質的に加熱することなく宇宙に推進できるゾーンがあることを発見しました[1]。スパレーションと呼ばれるこのメカニズムは、Melosh が「肥沃なゾーン」と呼んだ場所の地表近くの生命体に、宇宙への生存可能な経路を与えました。

このモデルの重要な裏付けは 2000 年に得られました。研究者たちが ALH84001 と呼ばれる火星隕石の残留磁性を調査したところ、それが 40℃（地球の心地よい熱い風呂の温度）を超えて加熱されたことがないことがわかりました。この隕石は火星で座って一生を始め、地球で座って一生を終え、微生物を悩ませるようなことはほとんど何も起こりませんでした。それは、岩石が火星から地球まで調理されることなく旅をすることができたという確かな証拠でした。

次のパズルピース、つまり微生物が岩石の中で生きることができるかどうかは、1990 年代に近代的な遺伝子配列決定技術が登場したことで決定的に解決されました。数ヶ月前に私が書いたように、この革命は、地球上に深部生物圏が存在することを確認しました。これは、数キロメートル深くに、数千年にも及ぶ世代時間を持ち、満足して岩石の中で生きている、ゆっくりと生きる細菌と古細菌の層です。これらの深層生物は、化学的および熱力学的に地表から孤立した世界に生息しており、その中には放射線分解水素ガスを食べているものもあり、したがって私たちが知っている生物圏からは完全に切り離されています。彼らははるか上空に何があるか気にする理由がありません。

明らかに、そのような強力で独立した微生物は、岩石パンスペルミア理論の優れた候補です。唯一未解決の質問は、それらが宇宙でどのくらい生存できるかです。微生物の観点から見ると、惑星での生活と隕石の中での生活の唯一知覚できる違いは、重力、温度、放射線です。

微小重力が微生物にどのように影響するかは、それ自体が記事に値する興味深いトピックです。ここでは、それを無視し、寿命に影響しないと仮定します。

温度はより大きな要因です。太陽から火星のような距離を公転するバスケットボールサイズの岩石は、約 -50℃ の平衡温度を持ちますが、地球に近いほど温度は約 -10℃ に上昇します（正確な数値は岩石の反射率と回転速度によって異なります）。これにより、永久凍土に埋められた生物は、惑星間旅行者がどのくらい生存できるかの魅力的なアナロジーとなります。

2007 年、Sarah Stewart Johnson 率いるチームは、永久凍土中の細菌 DNA を調査し、40 万年と 60 万年前の層の細菌が生存可能であった証拠を発見しました。彼らは、74 万年と 100 万年前の永久凍土コアには生存者の兆候が見られませんでした。汚染の問題を避けるために、彼女のグループはこれらの生存細菌を直接培養しようとはしませんでした。代わりに、彼らは 4,000 塩基対以上の長い、完全な鎖の普遍的な細菌 DNA を探し、この長さの鎖は生きている生物にのみ属することができると主張しました。彼らの研究は、氷点下の環境の微生物は真に休眠状態ではなく、DNA の損傷を積極的に修復するのに十分なレベルで代謝的に活動していたことを発見しました。これは、地下生物圏の他の観察結果と一致する結果です。

この長い寿命は、宇宙線が微生物の生存における制限要因である可能性が高いことを意味します。放射線トレードオフに関する私の投稿から覚えているかもしれませんが、宇宙線からの遮蔽は、良くなる前に状況を悪化させます。その観点から見ると、「バスケットボールサイズ」は、隕石に乗るのに最悪の種類です。効果的な遮蔽を提供するには小さすぎますが、総線量を実際に増加させる有害な二次放射線のカスケードを作成するには大きすぎます。その最悪の環境でも、d. radiodurans は、修復不可能な損傷を受ける前に、おそらく 50,000 ～ 100,000 年間持続するでしょう。したがって、小さな岩石での惑星間旅行時間の限界を 50,000 年、大きな岩石での限界を 500,000 年と考えることができます。

塩鉱山での生命

最後に、絶対的な耐久性の問題があります。地球上の真に古代の微生物を発見し、古い、より幸せな時代の生きたスナップショットのようなものを形成することを期待できるでしょうか？もし 30 億年前の細菌が火星の氷河の下で凍結しているのを発見したら、それを復活させる希望はあるでしょうか？

この質問への答えは、火星で現代の生命を発見する可能性にも影響します。その惑星は遠い過去には居住可能であり、今日でも火山活動が活発です。火山噴火や隕石衝突のようなまれな出来事はまだあり、火星の地殻に 10 万年以上続く暖かい場所を残し、時間的な居住可能性のオアシスのようなものを作り出します。もし火星の微生物が地質学的な期間（数億年）にわたって休眠状態を維持できるなら、地球の砂漠の植物が干ばつを乗り越えて雨の後には咲くのと同じように、これらのまれな暖かい期間の間の冷たく暗い厳しい年を乗り越えることができるかもしれません。

ここでは、答えは曖昧になります。

ほぼ 1 世紀にわたり、微生物学者は、蒸発した塩（ハライト）の古代の堆積物中に生存可能な微生物と思われるものを見つけてきました。ハライトは、孤立した海や湖が時間とともに干上がるときに形成され、その過程で自然に微細なブラインの包含物と、そこに生息しているものを閉じ込め、永久に大きな塩の結晶に封入します。

ハライトは微生物をアーカイブする上で良い特性を持っています。その古さは検証しやすく、琥珀のように液体やガスを通さず、薄片は透明なので、視覚的に水の包含物や閉じ込められた個々の生物を探すことができます。しかし、これらの推定される古代の生存者を培養しようとする試みは、常に汚染問題に悩まされてきました。

2000 年の Nature 誌の論文で、Russell Vreeland 率いるチームは、ニューメキシコ州のハライトに閉じ込められた小さなブラインの滴に閉じ込められた 2 億 5000 万年前の細菌を復活させたと主張しました。彼のチームは、汚染の可能性を 10 億分の 1 未満に減らしたと主張する厳格な滅菌技術を使用しました。彼らは培養できた細菌を 2-9-3 と名付け、そのリボソーム DNA の分析により、V. marismortui という塩を好む生物に近縁であることが示されました。

問題は、その類似性が少し近すぎたことです。「ペルム紀の細菌、そうではない」というタイトルの論文で、Dan Graur と Tal Pupko は、2-9-3 と V. marismortui のリボソーム DNA を比較し、2 つの配列が例外的に似ており、わずか 2 塩基対しか違いがないことを発見しました。しかし、もし 2-9-3 が本当に 2 億 5000 万年間その近縁種から孤立していたなら、rDNA には少なくとも 50 塩基対の違いが生じるのに十分なランダムな突然変異が蓄積されていたはずです[2]。実際、この分野の基準では、2 つの分類群は機能的に同一と呼ぶことができます。

他に不安な理由もありました。DNA は熱力学的な安定性の模範ではありません。長い鎖が数億年間生存できるという考えは受け入れがたいものでした（前述の永久凍土での DNA のはるかに控えめな限界と比較してください）。たとえ塩環境の胞子に詰められた DNA が、自由浮遊鎖よりも安定していると主張したとしても、Vreeland の主張よりも 4 桁少ない寿命になります。

放射線の問題もあります。岩石に含まれるカリウムのごく一部は自然に放射性であり、2 億 4000 万年の間に、ハライト形成における背景放射線は 100,000 グレイの累積線量をもたらすはずです。これは、包装食品を滅菌するために業界で使用される線量の 10 倍以上です。

しかし、主張は続いています。2007 年、Vreeland と Tim Lowenstein は、1 億 1200 万年前の塩の包含物中に生きた古細菌を発見したと報告しました。サラド層の 2 億 4000 万年前の細菌の主張とは異なり、この主張は、誰も異議を唱えたり確認したりすることなく文献に掲載されたようです。2014 年、中国の Saala Jaakkola 率いる別のチームは、約 4000 万年前の塩結晶から 8 つ（！）の生存可能な好塩性古細菌の株を発見したと報告しました。Vreeland と同様に、彼らは厳格だと考えられる汚染制御を使用し、各結晶の外殻を削り取ってから、露出した塩を酸と塩基のリンスで処理しました。

これらすべてが、この分野にジレンマを残しています。研究者は、明らかに古代のハライトから現代的な見た目の生物を発見し続けています。汚染を防ぐために取られた措置は厳格です。分子証拠は明白です。これらの「復活した」微生物は、ほとんどが現代の株に近縁です。

1 つの可能な答えは明白です。つまり、汚染の亡霊がまだ残っているということです。2023 年の修士論文で、ニューメキシコ州立大学の Beowulf Owen は、Vreeland の滅菌プロトコルでは細菌胞子を殺すには不十分であることを示しました（漂白剤を使用した追加のステップが必要です）。別の研究グループは、Vreeland の 2000 年の主張と同じハライト堆積物から発見された 2 億 5000 万年前の古細菌ゲノムを配列決定したと主張していますが、滅菌プロセスの詳細は公表されていません。

この混乱から抜け出す 1 つの方法は、ハライトの大きな塊を消毒しようとするのをやめ、包含物を直接狙うことです。2003 年、MR Mormile 率いるチームは、無菌ドリルとピペットを使用して、ハライト包含物の内部から閉じ込められたブラインを直接抽出しました。特に、彼らは結晶内の候補微生物を写真撮影し、無菌条件下で抽出し、古い方法を悩ませるバルク汚染の機会なしに直接培養することができました。

良いニュースは、彼らが塩の中で生存可能な生物を発見したことです。悪いニュースは、彼らが作業した堆積物が若く、わずか 9 万 7000 年前であるということです。したがって、ペルム紀のハライトで正確に何が生き返っているのかという問題は未解決のままです。

状況はイライラします。最も古い主張は最も厳格な技術を使用しておらず、厳格な技術は古い形成物に適用されていません。特に、2-9-3 と V. marismortui の全ゲノム比較を実行することは容易であるはずです。リボソーム DNA 以外でそれらの類似性がどの程度まで及ぶかを確立し、それらの同一性をさらに確立するために、しかし誰もそれをやっていないようです。私たちが言えるのは、微生物がハライト包含物中で 10 万年間生存可能でいられるという確かな証拠があり、数千万年にわたって生存可能であるかもしれないという議論の余地のある証拠があるということです。それらは非常に広い誤差範囲です。

私はこれらすべてを詳細に説明します。なぜなら、それは科学者が火星からのサンプルを分析しようとするときに直面する可能性のある種類のトラブルの味を与えるからです。地球上の既知の生物を使用して高度な研究所で作業している場合でも、キログラムサイズの原材料の塊を分析している場合でも、科学者は、細菌を目視で確認することから、無菌的に抽出すること、そして最終的に DNA を特徴づけることまでの連鎖を閉じるのに苦労してきました。

火星の状況でこれを試みることを想像してください。そこでは、潜在的な生命体の生化学と組成は未知であり、機器は 40 分の遅延で遠隔操作する必要があるかもしれません。そして、地球からの生きた微生物がランダーの乗組員として同乗しているかもしれません。

または、サンプルリターンシナリオを好む場合は、地球のカテゴリー 5 のクリーンルームで、貴重すぎてバルクで検査したり意味のある変更を加えたりできないサンプルを使用して分析を試みることを想像してください。

火星の遺存または現存生命を探索するための前提条件の 1 つは、地球上で生命を見つけることにおいて、私たちははるかに上手になる必要があるということです。すでに、小惑星サンプルへの細菌汚染 が科学者を欺き、地球外生命を発見したと思わせた例が 1 つあります。返還された火星物質を分析する際の賭け金ははるかに高くなります。

問題の一部は文化的です。地質学者、岩石学者、微生物学者は、通常はお互いの論文を読んだり、お互いにビールをおごったりしない異なる科学部族の出身です。さまざまなサブフィールドでさえ、しばしばお互いに話が通じず、多くの研究者は、現代の配列決定技術が自分の分野に与える影響のすべてをまだ吸収していません。さらに悪いことに、どの資金提供機関も、深部生命（アンティークまたは現代のもの）の探索を優先事項にしておらず、少なくとも滅菌プロトコルなどの標準化さえ試みていません。

もし、永続的な影響を与えたい退屈な億万長者がいるなら、深部生物圏を包括的に特徴づける試みに資金を提供することよりも、お金を使うより悪い方法はないでしょう。これには、無菌掘削や、ブライン包含物のような困難な環境で見つかった単一細胞の配列決定のための標準化された技術の開発が含まれます。この作業はすぐに華やかではないかもしれませんが、地球上で真のブレークスルーにつながり、火星での画期的な発見への道を開く可能性があります。

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ここでの微妙な点は、圧縮波と反射された希薄化波が出会うとき、衝撃は相殺されますが、地表近くの岩石に与えられる粒子速度は加算され、それらを宇宙に飛ばすのに十分であるということです。

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Vreeland の当初の（そして独創的な）この批判への応答は、v. marismortui もまた、数億年間塩の中に埋もれていたのかもしれないと示唆することでした。しかし、死海の近くには、逃れるべき古代のハライト堆積物はありません。さらに、より遠い細菌の近縁種との比較はすべて同様のパターンを示しました。科学者が偶然見たすべての微生物が、2 億 5000 万年間の眠りから覚めたばかりでなければ、何かが間違っていました。