[論文レビュー] Cosmic Thermobiology: Thermal Constraints on the Origin and Evolution of Life in the Universe

Charles H. Lineweaver, David Schwartzman|arXiv (Cornell University)|May 13, 2003

Space Science and Extraterrestrial Life参考文献 31被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、40億年にわたり地球の表面温度が約90 °Cから約10 °Cに低下するという熱的制約——特にその低下傾向——が、生命の起源と進化を形作ったと提案している。著者らは、16S rRNA遺伝的距離と現存生物の最大成長温度に基づく生物学的温度計を用い、独立した酸素同位体データと整合する線形冷却傾向を推定した。これは、高温好熱生物が初期の生物圏を支配していた可能性を示唆している。

ABSTRACT

We review the thermal history of the Universe. We obtain a new estimate for the thermal history of the Earth over the past four billion years using a biological thermometer based on (1) a rough estimate of the absolute time calibration of the genetic distances in the 16S rRNA-based tree of terrestrial life and (2) the maximum growth temperatures of the extant organisms used to construct the tree. The only other thermometer on comparable time scales is based on a controversial interpretation of the oxygen 18 abundances in chert. These two thermometers are consistent with each other and with the idea of a roughly linear decrease in the surface temperature of the Earth from ~ 90 C four billion years ago to ~ 10 C today. Based on the hyperthermophilic domination of the roots of the tree of terrestrial life, and the probably universal nature of the thermal constraints on terrestrial biogenesis, we speculate that hyperthermophilic organisms dominate the roots of life emerging on any terrestrial planet.

研究の動機と目的

• 過去40億年の間に地球の熱的歴史を生物学的データを用いて再構築すること。
• 初期分岐の生命形態が高温好熱性を示すという事実に基づき、生命が高温条件下で起源したという仮説を検証すること。
• 生物的温度推定値と、チアートに含まれる酸素-18のような独立した地球化学的プロキシに比較すること。
• 恒星系の陸上惑星における生命生成に及ぼす熱的制約の普遍性を検討すること。
• 高温好熱生物が生命の祖先的状態を表しているかどうかを評価すること。

提案手法

• 16S rRNAに基づく系統樹と現存生物の最大成長温度を用いて生物学的温度計を構築すること。
• 化石または分子時計の制約を用いて、16S rRNA系統樹における遺伝的距離を絶対的時間にキャリブレーションすること。
• 最も初期に分岐した生命形態の熱的限界をたどることで、過去の表面温度を推定すること。
• チアート堆積物からの議論の多い酸素-18同位体プロキシと生物的温度推定値を比較すること。
• 二つの独立した温度計の整合性を評価し、推定された冷却傾向の妥当性を検証すること。
• 生命生成に及ぼす熱的制約が普遍的であり、いかなる陸上惑星においても高温好熱的起源が好まれる可能性を提唱すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 過去40億年の間に、生物学的データに基づいて地球の表面温度はどのように変化したか？
• RQ2 16S rRNA系統樹の根元に高温好熱生物が優勢であるという観察は、生命の高温起源を示唆しているか？
• RQ3 生物的温度推定値は、チアートに含まれる酸素-18のような地球化学的プロキシとどのように比較できるか？
• RQ4 地球の表面温度が約90 °Cから10 °Cに線形的に低下したという仮説は、独立した生物学的および地球化学的証拠によって支持されるか？
• RQ5 生命生成に及ぼす熱的制約は普遍的であり、他の陸上惑星の生命もおそらく高温条件下で起源したとされるか？

主な発見

• 生物学的温度計は、40億年前に地球の表面温度が約90 °Cであり、今日では約10 °Cに低下したと推定している。
• 推定された冷却傾向は、チアートからの議論の多い酸素-18同位体プロキシと整合しており、独立したデータソースの一致を示唆している。
• 16S rRNA系統樹の根元に位置する高温好熱生物の性質は、生命が高温環境で起源したという仮説を支持している。
• 生物学的および地球化学的温度計の整合性は、地球の推定された熱的歴史に対する信頼性を高めている。
• 結果から、生命生成に及ぼす熱的制約が普遍的である可能性が示唆され、いかなる陸上惑星においても高温好熱的起源が好まれる可能性がある。