『酸素』（2002年刊）は、私たちの存在に不可欠であるがゆえに、時にその存在すら忘れ去ってしまう元素についてのガイドブックです。酸素がどのように地球上の生命を可能にし、同時に脅かしているのかを解き明かします。
この本を読むとわかること。酸素に対する考え方が一変します。
私たちは酸素によって生き、酸素によって死に至ることもあります。進化を促したのも酸素なら、一瞬にして破壊的な炎を生み出すのも酸素です。 一体、何の話をしているのでしょうか？
もちろん、酸素です。あまりにも身近に存在するため、その驚くべき機能を忘れてしまいがちな化学元素です。 この本では、この無色無臭の気体の働きを辿る旅に出かけ、酸素がどのようにして私たちの知る生命を可能にしてきたのかを探ります。 光合成との生命を育む関係から、人間への毒性まで、酸素の驚くべき世界への一連の洞察が得られるでしょう。
酸素は地球上の生命にとって不可欠ですが、同時に猛毒でもあります。
この本では、さらに以下のことも学べます。
- 40億年前、酸素がいかにして地球を救ったのか
- 多細胞生物が酸素によって爆発的に増加した理由
- 酸素豊富な大気の中で、1メートル級のサソリがどのように繁栄したのか
酸素は何千年もの間、地球上の生命を維持する上で不可欠な役割を果たしてきましたが、常にこれほど遍在する元素だったわけではありません。 例えば、約40億年前、地球の大気には酸素がほとんど含まれていませんでした。 しかし今日、私たちの大気は約21％が酸素です。 では、その酸素はどこから来たのでしょうか？ その答えは光合成です。光合成とは、植物が太陽光を使って水を構成要素である水素と酸素に分解するプロセスのことです。 太陽エネルギーも水分子を分解できますが、光合成なしにそうすることは、海洋で発生した初期の生命体にとって実際のところ脅威でした。
なぜでしょうか？ 水素は軽い気体で地球の重力から逃れられますが、酸素ははるかに重く大気中に留まります。 そのため、結合する水素がないと、これらの遊離酸素分子は大気中に留まる代わりに鉄と結合して海に入り込みました。 その結果、水素が大気から逃げていくことで水が正味で失われ、酸素と水素が結合して水になる機会が減少したのです。 しかし、光合成によってすべてが変わりました。 このプロセスによって酸素が大量に生成され、大気中に蓄積されて水素と結合し、より多くの水を形成したのです。
基本的に、大気中の酸素は地球の急速な水分枯渇を食い止め、海洋生物の進化を助けました。 しかし、酸素は地球上の生命を脅かしもしました。 人間にとっては生命の本質ですが、私たち以前の微生物にとって、酸素は致命的な気体でした。 実際、今日存在するほとんどの生物が酸素に耐えられるのは、抗酸化物質を持っているからに他なりません。 これらの化学物質は、酸素が有機分子から電子を奪い、それらを崩壊させる細胞損傷プロセスである酸化を防ぎます。 初期の生命体は抗酸化物質を持っていなかったため、酸素は彼らにとって死刑宣告に等しかったのです。
酸素レベルの上昇が多細胞生命を促進した可能性があります。
このように、酸素は初期生命にとって脅威でしたが、では生命はどのように進化したのでしょうか？ それは、酸素に脅かされたときに細胞が結合する傾向があったからかもしれません。実際、酸素が多細胞生命の誕生につながった可能性があります。 その仕組みは次のとおりです。 酸素を嫌う単細胞生物を酸素豊富な水に入れると、彼らがまず最初にするのは、より酸素の少ない場所へ泳いでいくことです。 しかし、もしすべての水が等しく酸素豊富だったらどうでしょうか？
そうなると、生物はバックアッププランに切り替えることを余儀なくされます。つまり、一つの塊を形成することです。 おそらく彼らは、酸素の毒性の負荷を分散させるためにこれを行い、これが多細胞生物の創造を説明するものかもしれません。 しかしそれを超えて、今日私たちが知るすべての生命は、今から約5億年前の酸素レベルが上昇していた時期に形成されました。 この時期はカンブリア爆発として知られ、長い間生物学者を悩ませてきました。 何しろ、地質学的には一瞬のうちに多細胞生物が爆発的に増加し、現在地球上に生息するほとんどの生命形態が作り出されたのです。 しかし、チャールズ・ダーウィンの進化論によれば、種はゆっくりと進化するものです。
それでは、どのようにして多細胞生物が何もないところから突然現れたように見えるのでしょうか？ ここでも、酸素がその説明になるかもしれません。 科学者たちは、カンブリア紀の前に地球が厳しい氷河期を経験したと推測しています。 唯一の生存者は、太陽からエネルギーを生成できる小さな細胞、つまり光合成を行い酸素を生成する細胞でした。
そのため、地球が再び温暖化したとき、生存者たちはミネラルと栄養素に富んだ惑星にただ独り取り残されました。それらは氷河が溶けた水が岩から洗い流したものです。 彼らはこのチャンスに飛びついて急速に増殖し、その過程で大量の酸素を生成しました。 こうして、多細胞生命の台頭が起こったのです。
酸素は過去の時代における巨大動物の出現を可能にしたのかもしれません。
1979年、イングランドの小さな炭鉱町ボルソバーにメディアの注目が集まりました。地元の炭鉱労働者が、翼幅が50センチメートルもある巨大なトンボの化石を発掘したのです。 しかし、この巨大なトンボは、ある時代には何ら珍しいものではありませんでした。 実際、約3億年前の石炭紀として知られる時代には、巨大な動物はごく一般的で、これらの動物はまさに、酸素豊富な大気のおかげで繁栄した可能性が高いのです。 ボルソバーで発見されたような巨大トンボを研究していた、アリゾナ州立大学のジョン・ハリソン氏とユタ大学のジョン・ライトン氏の科学者たちは、酸素豊富な空気中ではトンボがより容易に飛べることを発見しました。
そのため、今日の大気では飛行に必要な揚力を生み出せないような、より大きなトンボも、より酸素濃度の高い空気中では飛び回っていたであろうと考えられます。 したがって、石炭紀におけるそのような生物の存在は、当時の大気中の酸素含有量が高かったことで容易に説明できます。 トンボだけが石炭紀の巨大動物ではありませんでした。 実際、他の多くの生物が、それ以降見られないほどの大きさに成長しました。 例えば、ある種のカゲロウは翼開長が50センチ近くもあり、サソリに至っては体長が1メートルにも達しました。 ここでも科学者たちは、酸素レベルがこれらの巨大生物を説明すると考えています。トンボと同様に、発見されたすべての巨大動物は、酸素豊富な環境によって生み出された、より容易な動きに依存していたと考えられています。
では、石炭紀に本当に大気中の酸素レベルが上昇していたことをどうやって知ることができるのでしょうか？ 過去の酸素レベルを特定するのは簡単です。その時代にどれだけの有機物が埋没したかを知ればよいのです。 光合成による酸素生成の間、植物内に留まり最終的に埋没する有機炭素の同等量ごとに、一定量の酸素が大気中に残ります。 この計算式に基づき、イェール大学の地球化学者ロバート・バーナーとドナルド・キャンフィールドは、石炭紀の大気中の酸素含有量が最大35％に達していたことを発見しました。
酸化は放射線と驚くほど似ています。
著名な物理学者・化学者であるマリ・キュリーの偉大な業績の一つは、放射線の発見への貢献でした。 残念なことに、キュリーの発見は致命的となり、1934年、67歳の時に彼女は白血病で亡くなりました。 しかし、興味深いことに、キュリーの発見は酸素とも密接に関連しています。 放射線と酸素中毒によって引き起こされる生物学的損傷は基本的に同じです。放射線が体内に入ると、水を構成要素である水素と酸素に分解します。
しかし、この化学プロセスは、一時的に非常に有毒な中間分子も生成します。 例えば、ヒドロキシルラジカルはそのような中間体の一つであり、人類が知る中で最も反応性の高い物質の一つです。 この化合物は、あらゆる生体分子と一瞬で反応し、細胞を損傷する連鎖反応を引き起こします。 しかし、私たちが呼吸するときも、酸素が水に変わる際に同じ中間体が生成されます。 つまり、呼吸は実際には極めてゆっくりとした酸素中毒であり、その基本的な影響は放射線のそれと同一なのです。 しかし、放射線がどれほど危険であっても、太陽放射が光合成の発達を開始させた可能性も高く、そのプロセスが地球上の膨大な生命を可能にしてきました。
太陽放射は水をその構成要素に分解することができ、同じ有毒な中間体を生成します。 そのため、地球の初期において、これらの有毒な中間体が、それらから保護する抗酸化酵素カタラーゼの発達に対する進化的必要性を生み出した可能性があります。カタラーゼは現在、ほぼすべての生物に見られます。 しかし、カタラーゼは光合成よりも先に存在していたため、抗酸化物質が光合成を導き、その逆ではない可能性が高いです。 光合成では、水が分解されて酸素が作られますが、周囲の細胞は生成される有毒な中間体から保護されなければなりません。 これを達成するために、細胞はカタラーゼを使用します。これにより、細胞は損傷を受けることなく水を分解してエネルギーを生成できます。
ビタミンCは酸化を促進することもありますが、生物はこの脅威から身を守ることができます。
果物や野菜を食べることが健康に良いことは、ほとんどの人が知っています。「1日1個のリンゴで医者いらず」という格言を誰もが聞いたことがあるでしょう。 しかし、それはなぜでしょうか？ ほとんどの人にその理由を尋ねれば、おそらく抗酸化作用を持ち、人間を酸化から守るビタミンCを指摘するでしょう。 しかし、実際はもう少し複雑です。
実際には、ビタミンCは酸化を引き起こすこともあります。 それでもなお、私たちは適切な生理機能を維持するあらゆる生化学反応にビタミンCを必要としており、十分に摂取できないと壊血病として知られる欠乏症を引き起こします。かつてこれは、長い航海で新鮮な果物を奪われた船乗りたちを苦しめました。 しかし、ビタミンCが酸素や鉄と相互作用すると、実際には酸化を促進する酸化促進剤になります。 そのため、ビタミンCが人間の体内で酸化促進機能を果たすという証拠はほとんどありませんが、人体はこの危険性を十分に認識しているようです。なぜなら、血中のビタミンC濃度を注意深く調節しているからです。 さらに、高用量のビタミンCは確かに危険である可能性があります。 オーストラリアのある若い男性は、重度の心不全で亡くなるまでの1年間、高用量のビタミンCを摂取していたと伝えられています。
しかし、抗酸化物質だけが、生物が酸素の毒性の可能性から身を守る唯一の方法ではありません。 実際、酸素毒性に対する最も単純な防御策は、ただ隠れることです。そして、まさにそれを行うバクテリアがいます。より大きな細胞の中に身を隠して酸素を避けるのです。 もう一つの戦略は、逃げることです。 この戦略は、酸素レベルが高くなりすぎると泳ぎ去る一部の単細胞生物で観察されています。 さらに他の微生物は、死んだ細胞の層で身を覆うことで酸素に耐えることができます。 驚くべきことに、これは人間が使用するのと同じ手法であり、私たちは皮膚の死んだ細胞の後ろに身を隠しています。
老化は二つの主要な理論的枠組みに分類されます。
人々は常に人間の寿命を延ばすという考えに魅了されてきました。そして、そのような欲求が様々な理論を生み出してきました。 例えば、19世紀、ロシアの免疫学者イリヤ・メチニコフは、ヨーグルトが長寿の秘訣であり、もっと多く食べれば皆200歳まで生きられるだろうと言いました。 今日、老化に関する理論には、プログラム説と確率論的説という二つの基本的なタイプがあります。 プログラム説は、老化は遺伝子に組み込まれており、成長や思春期のような他の発達プロセスと類似していると述べています。
一方、確率論的説は、老化は時間の経過に伴う損耗の蓄積であるが、それについて事前にプログラムされたものは何もないと主張します。 著者によれば、この損耗は、任意の人の生涯にわたる酸素中毒の結果です。 しかし彼は、老化の背後にある真実は、おそらくこれら二つの受け入れられた理論の間のどこかにあることを認めています。 したがって、私たち生物個体は常に年を取っていますが、生命そのものは年を取っていません。 これは酸素と、生命が時間とともに劣化するのを防ぎ、実際にそれを前進させる自然淘汰との関係のおかげです。 このよく知られた考え方は、最も繁殖に成功した個体、すなわち生存に最も適した個体が、その遺伝子を次世代に伝える可能性が最も高く、そうでない個体は滅びるというものです。
しかし、自然淘汰はまた、あらゆる異なる生命形態の発達にも関与しており、すべての種の長期的な生存にとって不可欠な側面です。 遺伝的に静的な集団は、捕食の変化するパターンに適応できず、したがって絶滅するでしょう。 自然淘汰、遺伝的変異、ひいては成長の媒体となることで、酸素は生命を時間の経過に伴う劣化から守ってきたのです。
生物の寿命は、呼吸によって生成される毒素の量と相関しています。
動物は生涯にわたって一定数の心拍数を割り当てられていると一般に信じられています。 この論理によれば、心臓の鼓動が速いほど、若くして死ぬことになりますが、この考えは正確には真実ではありません。 より可能性が高いのは、寿命が呼吸によって生成される毒素と相関しているということです。 そこで、代謝率、つまり時間の経過とともにエネルギーが消費される速度と、さまざまな動物の最大寿命を比較すると、驚くべき関係が明らかになります。
例えば、代謝率は、1時間あたりの体重1キログラムあたりの酸素消費量で測定されます。 したがって、馬の代謝率が0.2だとすると、35年の生涯で体重1キログラムあたり約60,000リットルの酸素を消費することになります。 比較のために言うと、リスは約7年しか生きませんが、代謝率は約1.0で、馬の5倍の速さです。 つまり、その生涯で、同じく体重1キログラムあたり約60,000リットルの酸素を消費することになります。
このように、代謝率と最大寿命は、任意の動物の生涯にわたって消費される酸素量が一定であるために相関しています。 しかし、いくつかの例外があります。 例えば、コウモリは、代謝率がネズミと同等であるにもかかわらず、最長20年生きることがあります。ネズミは通常3歳までしか生きられません。 この矛盾を説明するには、寿命が代謝率と関連しているという考え方に少し修正を加えて考えると役立ちます。
例えば、代謝率よりも、呼吸中に生成される毒素の速度が最も重要な要因である可能性が高いです。 ご存知のように、呼吸の化学プロセスは、酸素が水になる際に毒素を放出します。 そして、これがコウモリがネズミよりも長生きする理由を説明するかもしれません。つまり、コウモリの方が生成する毒素が少ないのです。 実際、呼吸中に毒素が生成される速度と寿命の間には、顕著な逆相関関係があります。毒素が多いほど寿命は短くなります。
最終的なまとめ
この本の主要なメッセージ：酸素は、私たちが知る生命を可能にしています。 それは地球上の生命の進化に対して、並外れた影響を与えてきましたし、これからも与え続けるでしょう。 しかし、酸素はまた、非常に重要な進化的適応がなければ私たちを殺してしまうであろう、猛毒でもあります。 ご意見をお聞かせください。
内容についてのご感想をお待ちしております！ 本書のタイトルを件名として、ご意見をメールでお送りください。 推奨する次の一冊: The Greatest Show on Earth 著者 リチャード・ドーキンス The Greatest Show on Earth は、進化が科学的な事実であることを否定する創造論者たちの主張に反論し、彼らの批判が誤りであることを示しています。 リチャード・ドーキンスは、1859年にチャールズ・ダーウィンによって初めて発見された自然淘汰による進化のプロセスを通じて、地球上の多種多様な生命がどのように発展してきたかを説明する証拠を提供します。
