最も古い生命体

オーストラリアのジャックヒルズ山脈の単一のジルコン粒子内の生物学的に分別されたグラファイトによると、地球上で知られている最古の生命体は41億年前（またはGa ）まで遡る可能性がある。^[2]単一の鉱物粒子ではなく地層単位で発見された最古の生命の証拠は、グリーンランドのイスア表層ベルトのグラファイトを含む37億年前の変堆積岩である。^[3]地球上で直接知られている最古の生命は、西オーストラリアのピルバラクラトンのドレッサー層で発見された34億8000万年前の間欠泉岩で発見されたストロマトライトの化石である。^{[4] 34億年前の岩石から}微生物の様々な化石が見つかっており、その中にはオーストラリアの同じクラトン地域の34億6500万年前のアペックスチャート岩石も含まれている^[5]。また、南アフリカのバーバートンにある34.2億年前の熱水噴出孔の堆積物からも見つかっている^[1 ]。地質学的記録ではずっと後になってから、おそらく17.3億年前に始まったと思われる、生物起源の分子化合物が保存されており、好気性生命を示唆している^[6]。したがって、地球上の生命の起源の最古の時期は、最大で35億年前、おそらくは41億年前、つまり45億年前に海洋が形成されて間もなく、 45.4億年前に地球が形成されてから間もない時期である。^[7]

地球は宇宙で生命が存在することが知られている唯一の場所であり、生命は複数の環境に存在している。 ^{[8] [9]}地球上の生命の起源は少なくとも35億年前、おそらくは38〜41億年前にさかのぼる。^{[2] [3] [4]}出現以来、生命はいくつかの地質学的環境で存続してきた。地球の生物圏は海底下少なくとも10km（6.2マイル）まで、^{[10] [11]}最大41〜77km（25〜48マイル）[ ^{12] [13]}大気圏まで広がっており、^{[14] [15] [16]}土壌、熱水噴出孔、岩石を含む。^{[17] [18]さらに、生物圏は}南極の氷の下少なくとも914.4メートル（3,000フィート、0.5682マイル）まで広がっていることがわかっており^{[19] [20]}、海洋の最深部も含まれています。^{[21] [22] [23] [24]} 2020年7月、海洋生物学者は、南太平洋環流（「海洋で最も死んだ場所」）の海底下76.2メートル（250フィート）の有機物の少ない堆積物で、 （主に）「準仮死状態」の好気性微生物が見つかったと報告しました。 ^[25]微生物は、地球上で最も乾燥した場所の1つであるチリのアタカマ砂漠や^{[26] 400°Cを超える温度に達する}深海の熱水噴出孔環境で発見されています。^[27]微生物群集は、-25℃までの永久凍土の低温環境でも生存することができます。 ^{[28]特定の試験条件下では、生命体が}宇宙空間の真空中で生存することが観察されています。^{[29] [30]}最近では、国際宇宙ステーションで実施された研究により、細菌が宇宙空間で生存できることがわかりました。^[31] 2023年2月、地球の火星のような地域であるチリのアタカマ砂漠で、未知の微生物の微生物暗黒物質である「ダークマイクロバイオーム」の発見が報告されました。 ^[32]

地球の年齢は約45億4000万年である。 ^{[7] [33] [34]}ストロマトライトの記録によると、地球上で生命が存在した最も古い証拠は少なくとも35億年前のものである。^[35]いくつかのコンピュータモデルは、生命は45億年前に始まったと示唆している。^{[36] [37]}最古の生命の証拠は、同位体分別の形で間接的に存在している。微生物は、代謝プロセスのために結合を切断するのに必要なエネルギーが少ないため、原子のより軽い同位体を優先的に使用してバイオマスを構築する。 ^[38]生物学的物質は、周囲の岩石と比較して、より軽い同位体に富んだ組成を持つことが多い。炭素同位体は、科学的には標準からの差である1000分の1でδ13Cとして表され、生物による炭素固定を検出し、初期の生命の証拠とされるものが生物学的起源であるかどうか^を評価するのに頻繁に使用される。通常、生命は、より重い¹³ C 同位体ではなく、同位体的に軽い¹² C 同位体を優先的に代謝します。生物学的物質は、この炭素の分別を記録することができます。

生命の存在を示す最も古い地球化学的証拠として議論されているのは、西オーストラリアのジャックヒルズ産のジルコン粒子1個に含まれる同位体の軽いグラファイトである。 ^{[2] [39]}このグラファイトは、地球上の生物起源の炭素と一致するδ13Cシグネチャを示している。その他の初期の生命の証拠は、アキリア層群[40]とグリーンランドのイスア表層地殻帯（ISB）の岩石から見つかっている^。[ 3 ^] [ 41 ]^これらの37億年前の変堆積岩には、生物学的分別を示唆する炭素同位体シグネチャを持つグラファイトまたはグラファイト包有物も含まれている。

生命の同位体証拠に関する主な問題は、非生物的プロセスによって同位体が分別され、生物的プロセスと類似した特徴が生成される可能性があることです。^[42]アキリアのグラファイトの再評価により、変成作用、熱水環境におけるフィッシャー・トロプシュ機構、火山活動が軽い炭素同位体の濃縮の原因である可能性があることが示されています。 ^{[43] [44] [45]}グラファイトを含むISBの岩石は、高温の流体による組成の変化、つまり交代作用を経験した可能性があるため、グラファイトは非生物的化学反応によって形成された可能性があります。^{[42]ただし、ISBのグラファイトは、さらに}スペクトル分析を行った後、一般的に生物起源であると認められています。^{[3] [41]}

35億年前のドレッサー層の変成岩は、グリーンランドの層よりも変成作用が少なく、地球化学的証拠がよりよく保存されています。^[46]重晶石で見つかった炭素同位体と硫黄同位体は、硫酸塩還元中に微生物の代謝によって分別されており、 ^[47]生物学的プロセスと一致しています。^{[48] [49]}しかし、ドレッサー層は活火山と熱水環境で堆積したため、^[46]非生物的プロセスがこれらの分別を引き起こしている可能性もあります。^{[50]ただし、これらの発見の多くは、}微化石の存在などの直接的な証拠によって補完されています。

化石は生命の直接的な証拠です。最古の生命の探索では、化石に地球化学的証拠が補足されることがよくあります。化石記録は、地質単位から化石を消し去る変成作用のため、地球化学的記録ほど古くはありません。

ストロマトライトは、光合成生物が堆積物の表面に微生物マットを形成する際に形成される層状の堆積構造である。生物起源の重要な特徴は、上向き凸構造と波状の層状構造であり、これは太陽に向かって優先的に形成される微生物群集に典型的である。 ^[51]ストロマトライトに関する論争のある報告は、上向き凸、円錐形、ドーム形の形態を示す 3.7 Ga のイスア変堆積物からのものである。^{[52] [53] [54]}さらに鉱物学的分析を行ったところ、ストロマトライトの識別に重要な基準である内部の凸上ラミナの初期発見に反し、この構造はイスア超地殻帯の伸張テクトニクスによって引き起こされた変形特徴 (すなわちブーダン)である可能性があることが示唆された。^{[55] [56]}

生命の最も古い直接的な証拠は、西オーストラリア州ピルバラクラトンのドレッサー層の34億8千万年前のチャートで発見されたストロマトライトです。 ^[4]これらの化石のいくつかの特徴は、非生物的プロセスでは説明が困難です。たとえば、屈曲部の層が厚くなるのは、日光がより多く当たるためであると予想されます。^[57]ストロマトライトの重晶石脈の硫黄同位体も、生物起源を支持しています。^[58]しかし、ほとんどの科学者が生物起源であることを認めている一方で、これらの化石の非生物的説明は、その熱水堆積環境と議論のある地球化学的証拠のために完全には捨てられません。^[50]

30億年前より古い始生代ストロマトライトのほとんどは、オーストラリアか南アフリカで発見されている。ピルバラ・クラトンの層状ストロマトライトは、347億年前のエイダ山玄武岩で確認されている。 ^[59] 南アフリカのバーバートンには、オンフェルヴァクト・グループの346億年前のホーゲノーグ層、342億年前のクロムバーグ層、333億年前のメンドン層に層状ストロマトライトがある。^{[60] [61]}西オーストラリアの343億年前のストレリー・プール層には、一時的な環境条件に反応した微生物群集を示す垂直方向と水平方向の変化を示すストロマトライトがある。^[62]したがって、少なくとも343億年前のストレリー・プール層以来、無酸素性または酸素発生性光合成が行われていた可能性が高い。 ^[63]

化石化した微生物（微化石）を用いた最古の生命の主張は、カナダのケベック州ヌヴァギットゥクベルトの古代の海底の熱水噴出 孔の沈殿物からのものである。これらは42億8千万年前のものと考えられており、これは地球上で最も古い生命の証拠となり、44億1千万年前に海洋が形成された後、「ほぼ瞬時に生命が出現した」ことを示唆している。^{[64] [65]}これらの発見は、非生物的プロセスによってより適切に説明される可能性がある。たとえば、シリカを豊富に含む水、^[66]「化学庭園」、^「67]循環する熱水流体、^[68]火山噴出物^[69]は、ヌヴァギットゥクで提示されたものに似た形態を生み出す可能性がある。

34.8億年前のドレッサー層には、シリカ鉱脈に原核生物の糸状の微化石が見られ、地球上で生命が存在した最古の化石証拠となっているが、 ^[70]その起源は火山性である可能性がある。^[71] 34.65億年前のオーストラリアの アペックスチャート岩には、かつて微生物が含まれていた可能性があるが、^{[72] [5]}これらの発見の妥当性は議論されている。^{[73] [74]}「推定上の糸状微化石」は、約34.2億年前に「バーバートン緑色岩帯の古海底熱水鉱脈系」に生息していたメタン生成菌および/またはメタン酸化菌のものであり、南アフリカで確認されている。^[1] 343億年前のストレリープール層では、球状、レンズ状、フィルム状の微細構造を含む多様な微化石形態が発見されています。^[75]それらの生物起源は、観察された化学的保存によって強化されています。^{[76]これらの構造の早期の石化により}、炭素と窒素の比などの重要な化学トレーサーが、古い変成岩ユニットで典型的であるよりも高いレベルで保持されました。

バイオマーカーは、地質学的記録に見られる生物起源の化合物で、過去の生命と関連付けることができます。^[77]バイオマーカーは始生代後期まで保存されていませんが、初期の光合成生命の重要な指標です。脂質は、地質学的時間の長い期間にわたって生き残り、過去の環境を再構築できるため、特に有用なバイオマーカーです。^[78]

化石化した脂質は、南アフリカのピルバラクラトン^[79]と267億年前のカープバールクラトンの27億年前の層状頁岩から報告されている。 ^[80]しかし、これらのバイオマーカーの年代と、それらの堆積が母岩と同時期であったかどうかは議論されており、^[81]さらなる研究により、脂質は汚染物質であることが判明した。^[82]最も古い「明らかに土着の」^{[83]バイオマーカーは、オーストラリア北部の}マッカーサー盆地にある164億年前のバーニークリーク層のものであるが、^{[84] [85]同じ盆地にある173億年前のウォロゴラン層の}炭化水素も検出されている。^[83]

その他の土着バイオマーカーは中原生代（160万～100万年前）のものと年代測定できる。北中国クラトンの14億年前の紅水荘層には、原核生物由来と思われる頁岩中に炭化水素が含まれている。^[86]バイオマーカーはマッカーサー盆地の138億年前のローパー層のシルト岩中に発見された。 ^[87]細菌や藻類由来と思われる炭化水素は、北中国盆地の137億年前の夏馬嶺層で報告されている。^{[88]モーリタニアの}タウデニ盆地の11億年前のアタール/エル・ムレイティ層には、黒色頁岩中に土着バイオマーカーが見られる。^[89]

現代の生物（細菌と古細菌の領域）のゲノムを比較すると、最後の普遍的共通祖先（LUCA）が存在したことが明らかになっています。LUCAは地球上の最初の生命ではなく、その時代の生物の中で唯一、今も子孫が生きていると考えられています。2016年、MC Weissらは、それぞれが少なくとも2つの細菌グループと2つの古細菌グループに存在する最小限の遺伝子セットを提案しました。彼らは、そのような遺伝子の分布は水平遺伝子伝播によって発生する可能性は低く、したがってそのような遺伝子はLUCAに由来しているに違いないと主張しました。 ^[90]分子時計モデルは、LUCAが冥王代中の44億7700万〜45億1900万年前に生息していた可能性があることを示唆しています。 ^{[36] [37]}

冥王代に似たモデル地熱 微小環境は、 RNAの合成と複製をサポートし、原始的な生命の進化を促す可能性があることが実証されました。 ^[91] 加熱された空気と水の界面を含む多孔質の岩石システムは、リボザイムが 触媒するセンス鎖とアンチセンス鎖のRNA複製とそれに続く鎖解離を促進することが示されました。^[91]これにより、活性リボザイムの合成、放出、折り畳みの組み合わせが可能になりました。^[91]

現在の地球化学的証拠では生命の起源は41億年前とされており、化石証拠では35億年前に生命が存在したことが示されているが、一部の研究者は生命は約45億年前に始まったのではないかと推測している。^{[36] [37]}生物学者のスティーブン・ブレア・ヘッジズによると、「地球上で生命が比較的急速に発生したのであれば、宇宙でも一般的である可能性がある」とのことだ。 ^{[94] [95] [96]}地球上の生命体が宇宙から運ばれた可能性も考えられている。^{[97] [98]} 2018年1月、地球上で発見された45億年前の隕石には、生命の材料となる可能性のあるプレバイオティックな複合有機物質とともに液体の水が含まれていたという研究結果が出た。^[93]

陸上の生命については、2019年に科学者らは、カナダ北極圏でOurasphaira giraldaeという化石化した 菌類を発見したと報告した。これは、陸上に植物が生息していたと考えられるよりもはるか昔の10億年前に陸上で生育していた可能性がある。 ^{[99] [100] [101]}陸上最古の生命は、32億2000万年前の細菌だった可能性がある。^[102]陸上の微生物生命の証拠は、西オーストラリアのピルバラクラトンにある34億8000万年前の間欠泉岩で発見された可能性がある。^{[103] [104]}