現代の生物学的システムは「鶏と卵」のパラドックスに直面しています。細胞がDNAを複製するにはタンパク質が必要ですが、それらのタンパク質を構築するための指示を与えるにはDNAが必要です。この行き詰まりは、初期の生命体が、これら両方の役割を同時に果たすことができる分子に依存していたことを示唆しています。
生物学的な行き詰まりの解決
現代の生物学において、DNAは遺伝情報の主要なアーカイブとして機能し、タンパク質は化学反応を推進する酵素として機能します。しかし、DNAを複製するにはタンパク質が必要であり、タンパク質を符号化するにはDNAが必要であるため、科学者たちは長年、その両方を担える前生物的な前駆体を模索してきました。
化学反応を触媒できるRNA分子であるリボザイムの発見は、潜在的な解決策を提供しました。RNAは遺伝子配列を運ぶことができ、かつ触媒として機能できるため、「RNAワールド」仮説は、生命がこれらの多機能な分子によって支配されたシステムとして始まったと提唱しています。
この画像は、RNAが現代の生物学的システムの主要な前駆体として機能するRNAワールド仮説の核心的な概念を説明しています。
「リボザイムの存在は、RNAが遺伝子配列情報を運ぶことと触媒として機能することの両方が可能であり、それによってDNAとタンパク質の両方の役割を果たすことができることを示唆した。」
— Did Life Begin in an RNA World? | Quanta Magazine
分子進化の障害
この理論では、前生物的なRNA鎖がランダムに組み立てられて自己触媒能力を持つリボザイムとなり、最終的にダーウィン的な自然選択を通じて進化したと仮定されています。このモデルでは、RNA配列の変異がより速い複製速度を可能にし、特定の遺伝的特性の生存を有利にします。
しかし、Gerald Joyce氏らによる実験室での実験は、このプロセスの容易さに疑問を投げかけました。彼らの研究では、リボザイムを人工的に進化させた際、各世代で導入された変異が触媒行動を頻繁に停止させることが示され、自己持続的なRNAの進化は予測よりも大幅に困難である可能性が示唆されました。
小規模な複製と環境的ニッチ
潜在的な突破口は、他のRNA鎖をコピーできる45ヌクレオチドのRNA分子であるQT45の特定によってもたらされました。これは比較的小さいため、研究者たちは、このような分子は以前研究されたはるかに大きなリボザイムよりも、原始のスープの中でより容易に出現した可能性があると示唆しています。
さらに、研究者たちはRNAの複製が、地球の極地における凍結と融解のサイクルのような周期的な環境変化によって駆動される可能性があることを実証しました。これらの条件は妥当な生息地を提供しますが、RNAベースのシステムが真に生命と見なされるために必要な複雑な代謝を発達させることができたかどうかは、依然として不明なままです。