化学合成 (生命科学)

化学合成（Chemosynthesis）

生化学において、化学合成とは、生物が外部から取り込んだ炭素源（主に二酸化炭素やメタンなど）を、自身の細胞を構成する有機物へと変換する生命活動の一つです。この際、エネルギー源として太陽光を利用する光合成とは根本的に異なり、特定の無機化合物（例えば水素ガス、硫化水素、メタン、あるいは第一鉄イオンなど）を酸化する過程で放出される化学エネルギーを用います。

化学合成によって、無機炭素化合物から有機物を自ら合成できる生物は、化学合成独立栄養生物と呼ばれます。これらの生物は系統学的に非常に多様であり、硫黄酸化細菌、水素酸化細菌、メタン生成古細菌、鉄酸化細菌など、様々な種類の微生物が含まれます。

生息環境とメカニズム

化学合成独立栄養生物は、太陽光が届かない極限環境に多く見られます。例えば、深海の熱水噴出孔、冷水湧出帯、鯨骨生物群集、あるいは地底深くの隔離された洞窟水中などが代表的な生息地です。これらの環境では、地殻活動や堆積物の分解によって生成される無機化合物が豊富に存在します。

海洋深部での化学合成は、主に二つのメカニズムに分けられます。一つは、比較的まれな環境ですが、水素分子（H₂）と二酸化炭素（CO₂）を反応させ、メタン（CH₄）などを生成する過程で得られるエネルギーを利用する方法です。もう一つは、多くの海洋環境で見られる方法で、硫化水素（H₂S）やアンモニア（NH₃）などの無機化合物を酸化する反応からエネルギーを得るものです。これらの酸化反応は、酸素の有無にかかわらず行われる場合があります。

生態系での役割と共生

化学合成を行う微生物は、光合成が行えない環境において、生態系の基礎となる一次生産者としての役割を担います。これらの微生物が生産した有機物は、直接または間接的に他の生物群に利用されます。特に、熱水噴出孔などの特殊な環境では、化学合成によって支えられる豊富な生物群集が形成されており、ジャイアントチューブワームのような大型動物も、体内の共生細菌による化学合成に依存して生きています。チューブワームの場合、栄養体部（トロフォソーム）に共生する細菌が硫化水素を電子源として、酸素や硝酸塩を電子受容体として利用し、炭素固定を行って糖やアミノ酸を生産しています。化学合成生物と、それらを栄養源とする従属栄養生物との間の共生関係は、このような環境では非常に一般的です。

硫化水素を利用した化学合成の例

硫化水素を用いた炭水化物の化学合成反応の一例として、以下の式が挙げられます。

18H₂S + 6CO₂ + 3O₂ → C₆H₁₂O₆ (炭水化物) + 12H₂O + 18S

この反応では、光合成が酸素ガスを放出するのに対し、硫黄（S）が生成物として現れるのが特徴です。紅色硫黄細菌のような化学合成独立栄養細菌の細胞質内には、この反応によって生じた黄色い硫黄の粒が見られることがあります。

発見の歴史

化学合成という生命現象の概念は、19世紀後半にロシアの微生物学者セルゲイ・ヴィノグラドスキーによって提唱された「anorgoxydant（無機物酸化菌）」に関する研究に端を発します。彼は硫黄細菌、鉄細菌、窒素細菌の研究を通じて、一部の微生物が無機物のみを酸化してエネルギーを得て生活できることを発見しました。

その後、1897年にドイツの植物生理学者ヴィルヘルム・ペッファーが、無機物の酸化エネルギーを利用して二酸化炭素を同化するプロセスを指して「化学合成（Chemosynthesis）」という言葉を造りました。当初この言葉は「化学独立栄養成長（chemolithoautotrophy）」の意味で使われましたが、後に有機物をエネルギー基質とする化学有機合成独立栄養生物を含む概念としても捉えられるようになり、現在では化学独立栄養（chemoautotrophy）と同義とされることもあります。さらに広義の概念として、電子供与体（有機・無機を問わない）の酸化によるエネルギー生産を指す「化学物質栄養（chemotrophy）」という言葉も、20世紀半ばにアンドレ・ルヴォフによって導入されています。

ヴィノグラドスキーの洞察が劇的に裏付けられたのは、1970年代に深海の熱水噴出孔が実際に発見されてからのことです。1977年、深海調査艇アルビン号がガラパゴス海溝で発見した熱水噴出孔周辺の奇妙な生物群集は、太陽光に依存しない生態系の存在を示していました。大学院生であったコリーン・キャヴァナーは、チューブワームが熱水噴出孔環境で生存する機構として、共生する化学合成細菌が硫化物や硫黄を酸化してエネルギーを得ているという仮説を立てました。後に彼女はこの仮説を実証し、これが深海生態系を支える化学合成の発見として広く認められることになりました。

科学における重要性

化学合成は、生命の起源や進化を考える上でも重要な現象とされています。地球上で最初に進化した代謝の形態であり、後に続く細胞呼吸や光合成の基盤となった可能性が指摘されています。また、太陽系内の他の惑星や衛星（例えば火星や木星の衛星エウロパの地下など）において、光合成が不可能な環境でも生命が存在しうる可能性を示す根拠としても注目されており、宇宙生物学においても重要な研究テーマとなっています。最近の研究では、プレート境界とは離れた海洋地殻の岩石中に生息する細菌が、岩石と海水の反応で生じる水素を利用して化学合成を行っていることも報告されており、化学合成生物の生息範囲は、これまで考えられていたよりも遥かに広い可能性が示唆されています。

このように、化学合成は地球上の多様な環境や生命進化において、そして地球外生命探査の文脈においても、非常に重要な生命現象です。

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