金属モリブデン硫化物は極限条件下でプロト代謝的二酸化炭素反応ネットワークを触媒する

岩石が生命の化学を始動させた可能性

生体が酵素を進化させるずっと前に、地球は二酸化炭素のような単純な気体を生命が依存する有機分子へ変換する仕組みを必要としていました。本研究は、海底の熱水域で見られるような天然鉱物が原始的な「化学エンジン」として働き得たかを探ります。金属的なモリブデン硫化物が二酸化炭素を驚くほど多様な有機化合物の網へと変換できることを示すことで、生命の中心的な化学が無生物の惑星上でどのように始まったかについて具体的なシナリオを提示します。

熱水噴出口と隠れた化学エンジン

現代の生命は、炭素を細胞や生態系内で運ぶ複雑な反応ネットワークで回っています。これらのネットワークは酵素と呼ばれるタンパク質に依存しており、酵素自体は進化の産物です。ではその前に何があったのか。本論文の著者らは、金属硫化物や水素ガスに富む海底の熱水噴出口を、最初期の炭素化学の有力な舞台として注目しました。こうした場所では、高温・高圧の水が鉄やニッケル、モリブデンのような金属を含む岩石に触れます。過去の実験ではこれらの金属の一部が二酸化炭素を小さな有機物に変えることが示されてきましたが、多くは生命の経路の断片に留まり、完全なネットワークを再現するものではありませんでした。

古代酵素を模倣する鉱物

研究チームは、原子配列が現代の二酸化炭素処理酵素に見られる金属–硫黄中心を模倣する特定のモリブデン硫化物の相、1T′相に注目しました。高温・高圧の水中で、水素を燃料として与えると、この鉱物は溶存二酸化炭素（炭酸水素塩でモデル化）を予想外に広範な有機酸群へと触媒的に転換しました。温度、反応時間、ガス圧力を注意深く変え、生成物をクロマトグラフィー、質量分析、NMRで追跡することで、同じ単純な炭素源から32種類の異なる中間体および最終生成物が生じることを特定しました。

酵素なしで生命の中心的炭素経路を再現する

その32化合物はランダムな産物ではありません。多くは現代の代謝の中心に位置する同じ分子であり、酢酸、ピルビン酸、オキサロ酢酸、コハク酸、α-ケトグルタル酸などが含まれます。これらは総じて、アセチル–CoA経路やクレブス回路の変種といった、現代の微生物が使う主要な五つの炭素固定ルートに対応します。実験では、これらの経路が相互に連結したネットワークとして現れました：酢酸が複数のサイクルを結びつけ、大きな分子は分解と再形成を繰り返し、重要な中間体は条件の変化に応じて消失し後に再出現しました。多炭素酸の生成効率は高く、変換された炭素の約70%が二つ以上の炭素を含む分子に入る場合もありました。反応ネットワークは、特定生成物の量が時間とともに増減する振動も示し、生きた化学系の動的な挙動を想起させました。

鉱物が炭素原子を結びつける仕組み

なぜこの鉱物がこれほど効果的だったのかを理解するため、研究者らは異なる原子構造を持つより一般的な形のモリブデン硫化物と比較しました。広範な大きな有機物の形成を促したのは、硫黄欠損が多い金属的で歪んだ1T′相だけでした。分光学的手法は、この表面上で二酸化炭素由来の一酸化炭素が強く吸着され、さらに高度に反応的な断片、すなわちラジカルへと還元されることを示しました。これらラジカルは鉱物表面上でほどよく安定化され、互いに衝突して新しい炭素–炭素結合を形成します。電子スピン測定はそのようなラジカルの存在を確認し、ラジカル捕捉剤を添加すると多炭素生成物が急激に抑制されました。計算シミュレーションもこの像を支持し、硫黄空孔と1T′相の変化した電子構造が表面から電子を供与しやすくし、炭素断片を互いに引き寄せて結合しやすくすることを示しました。

岩の化学から最初の代謝へ

これらを総合すると、初期地球の特定の金属硫化物が、酵素が存在するよりもずっと前から複雑で自己組織化的な炭素化学を駆動できた可能性が示唆されます。熱水噴出口のような環境では、高温かつ水素に富む流体が二酸化炭素や金属を含む岩石に触れると、1T′モリブデン硫化物のような鉱物が無機炭素を現代の代謝サイクルに類似した相互連結した有機経路の網へ継続的に変換したかもしれません。専門外の読者に伝えたい重要なメッセージは、生命の中心的な化学は生命が始まる前にそれ自体で始まる必要はなかったということです。適切な条件下では、単純な岩石、水、ガスが自発的に、今日の生細胞が用いる多くの同じ分子と反応ループを構築し得るのです。

引用: Chen, P., Liu, X., He, D. et al. Metallic molybdenum sulfide catalyses protometabolic carbon dioxide reaction networks under extreme conditions. Nat Commun 17, 2395 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69255-w

キーワード: 生命の起源, 前生物化学, 熱水噴出口, 炭素固定, モリブデン硫化物