以前はシリコンベースの生命の科学はSFと断定されたものであったが。 シリコン化合物は不変の結晶配列に限定されるが、炭素化合物、すなわち有機物は、どんな安定した分子配列も自発的に形成されうるように多種多様な分子を形成でき、自然選択により生命を維持する分子が有利となるのである。 生命が誕生する前に、ケイ素と炭素が競合した場合、炭素が優勢になる可能性が高い。 しかし、水の代わりに、非常に身近でありながら、ありそうもない化学物質が使われたとしたらどうだろう。 海や湖、川がアンモニアで支配された世界に、生命は存在し得るでしょうか。 一部の工業用溶剤や洗浄液の主成分であり、環境にも有害です。 アンモニアは、高収率爆薬の製造に使用されるレシピの不可欠な部分でもあります。 アンモニアのような致命的な物質が、どうして生物の出現と進化を可能にしたのだろうか？ 実は、アンモニアは、生命にとって不可欠なもう一つの化合物である水と同じ分子特性をもっているのだ。 宇宙生物学者の中には、地球上の生命が水分のある環境で成長したのと同じように、アンモニアのある環境で生命が進化する可能性を指摘する人もいる。 想像してみてください。金属を溶かし、皮膚を焼き、環境を汚染し、不適切に混合すると爆発することが知られている同じ物質が、ある地球外世界では「生命の水」である可能性が非常に高いのです (私は『デューン』の話をしているのではありませんよ)。 アンモニアと水はともに極性分子である。 酸素原子と窒素原子の電気陰性度は、対応する水素原子の電気陰性度より大きいのです。 この中心原子（窒素でも酸素でも）と水素原子の電気陰性度の差によって、分子は極性を持つようになる。 中心原子はわずかに負の電荷を帯び、水素はわずかに正の電荷を帯びる。 このため、塩や小さな極性分子を溶かすことができ、アンモニアと水は強力な溶媒となります。
水における物理特性のいくつかは、アンモニアにも共通しています。 どちらの媒体も、弱いながらも電気を通すことができ、正に帯電した水素が近くの分子の負に帯電した部分と協調して、化学で知られる最も強い分子間力の 1 つである水素結合を形成します。 これは、一端に正の電荷を持つ物体を、別の物体の負の電荷と静電的に結合させることに似ている。 平たく言えば、水素結合によって極性分子同士が非常によくくっつくので、水の表面張力や沸点が高くなるわけだ
。 多くの塩や、糖やアミノ酸のような極性を持つ小さな有機分子を溶かすことができる。 有機化合物や塩の溶解性は、pHや塩分濃度、さらには酸化状態の変化に対して反応混合物を緩衝するため、生命にとって非常に重要である。 生命を最もよく支える環境とは、必須生体分子の濃度が安定していることである。
水の物理的特性のもうひとつの非常に重要な特徴は、大きな非極性化合物の疎水性効果である。 非極性物質と極性物質は溶液中であまり混ざらないため、極性分子の溶液中では非極性分子が凝集する傾向がある。 言い換えれば、極性分子に囲まれると、非極性分子はより強く互いにくっつく。
疎水性効果は、ミセルやタンパク質の形成を促すため、生物発生のプロセスにおいて非常に重要である。 疎水性効果がなければ、脂質はアニールして細胞膜を形成することができず、アミノ酸ポリマーは折り重なって機能性タンパク質や酵素を形成することができない。
アンモニアには水素結合を形成する能力があるかもしれないが、その極性は水のそれと比較すると見劣りする。 アンモニアは水素結合を形成する能力が低く、その結果、疎水性効果や有機分子の溶解度も弱くなる。
このことは、生物発生に問題を提起している。 小さな生物有機分子はアンモニアにあまり溶けないだろう。 タンパク質や膜はアンモニア水溶液ではうまく折り畳めず不安定になる可能性がある。 膜や脂質はさらに大きな問題となる。もし、細胞膜の結合が十分でなければ、軽い環境変化でも細胞がバラバラになる可能性がある。 生命はアンモニアの環境では、水の環境よりも適応性が低いだろう。
液体アンモニアの安定性そのものに懸念がある。 理論的には、生命は気体や固体ではなく、液体の中でしか維持することができない。 あまりに早く、あるいは簡単に沸騰してしまうと、生物は環境に適応するのが難しくなるかもしれない。 アンモニアは常温で気体として存在するが、水は0〜100℃の範囲で液体として安定する。 これは、水素結合の強さによるもので、水素結合が強いほど、分子が長くくっついて液体になる可能性が高くなる。 アンモニアは水素結合が弱いので、アンモニアを液体状態で安定させるためには、通常の大気圧下で温度を劇的に下げなければならない。これは、40億年の氷河期を経なければならない世界の話である。 冷たく死んだ惑星は、生命を維持するための理想的な候補とは言い難い。
Surface of Andoria.
アンモニアの沸点は 14.7 psi で摂氏 -33 度、つまり液体アンモニアは地球の気圧でこの温度以下でのみ安定することがわかる。 仮に有機分子の折り畳み、凝集、溶解が熱力学的に可能だとすると、地球上の温度は14.7気圧で-78度から-33度まで維持されなければならないことになる。 これは生物が繁栄するには狭すぎる帯域であり、多少の気候変動があっても、アンモニア系生物の生存を脅かすことになりかねない。 栄養素の代謝や生物の複製は、極端な低気圧と高気圧の期間によって中断されるでしょう。
この問題の唯一の回避策は、低い温度ではなく、高い気圧を使って気体を凝縮させるというものです。 気体は極端な圧力下で液体に凝縮させることができ、その温度は通常の沸点よりかなり高く維持できる（これは、生物が繁栄するために熱を必要とするアンモニア気候にとって朗報である）。 アンモニアは、地球12.1万気圧に相当する圧力と摂氏37度前後で液体に凝縮する。 残念ながら、惑星がそのような高密度の大気を保有する方法は、まだ発見されていないし、仮説もない。 現在、最も濃い大気を持つ地球型惑星である金星の地表の圧力は93気圧で、1万2千気圧の大気の要求を満たしているとは言い難い。 また、木星は中心部の気圧が1,000気圧程度で、これも理想的とは言い難い。 しかし、だからといって、アンモニアベースの生命が他の手段で出現できないわけではありません。 スクロールして続きを読む.
The Final Verdict
Ammonia-based life is not a major theme of Star Trek, and I always wonder that it was never included on the shows.Why Did you know how to see it? 残念ながら、サイエンス・ファクトにはなりそうもない。 重要なのは、当初は科学的に不可能とされていたことが、やがて科学によってある程度証明されたことが多いということです。 私がいつも記事で強調しているように、可能性が極めて低いと思われることでも、それが起こり得ないということにはならないのだ。 私でさえも、アンモニアを使った宇宙人が存在する、あるいは存在しないと言えるようになるには、まだアンモニアを使った生命体、あるいは他の生命体が発見されていなければならないのです。 その上で、カール・セーガンの『コスモス』から、木星のような世界で生命が進化する可能性が高いシナリオを仮定した、この素晴らしい編集された抜粋を最後に紹介したいと思います。 アンモニア系生物が地球上の基準では存在しないとしても、他の方法では起こりえないということを決して意味するものではありません」
Tom CaldwellはUCLAで生化学の理学士号を取得しました。 現在、分子生物学の博士号取得を目指している。