左か右か:偶然が生命の「利き手」を選ぶとき

多くの分子には、互いに重ね合わせることのできない二つの鏡像型がある。左手と右手のようなものだ。化学者はこれをキラリティーと呼び、二つの型を鏡像異性体(エナンチオマー)と呼ぶ。生物では、アミノ酸と糖はほとんどが二つのうち一方の型で存在する。この非対称性がどのように生まれ、なぜ一方の手が選ばれたのかは、まだ十分に解明されていない。

一つの考え方は、両方の手を等量含むラセミ混合物から、化学平衡から遠く離れた条件のもとで自発的に生じたというものだ。鏡像のバランスが傾きうることは実験で示されている。かき混ぜながら成長させた塩素酸ナトリウムの結晶、ソアイ反応と呼ばれる反応、そして前生物的な反応でできるアミノ酸の短い鎖などだ。

一方を選ぶフランクのレシピ

最も影響力のある理論は、1953年のF・C・フランクにさかのぼる。必要な材料は二つある。

• 自己触媒:それぞれの分子が、同じ手の分子をさらに作るのを助ける。
• 競合:左手型と右手型の分子が出会うと、互いに打ち消し合って消える。

あるしきい値を超えると、50対50の状態は不安定になり、混合物は一方の手へと傾く。このモデルの古典的な決定論的バージョンでは、ごくわずかな初期の過剰でも、毎回必ず勝者を決める。

しかし実際の化学反応は、一つずつ起こる。分子が少ないとき(前生物的な環境ではそうだったかもしれない)、偶然が役割を果たす。以前のシミュレーションでは、最初に多かった手が必ずしも勝つわけではないことが示唆されていた。

偶然を数字にする

ドイツのアウクスブルク大学のレオナルド・シルヴァ=ディアス(Leonardo Silva-Dias)とクリストフ・ヴェーバー(Christoph Weber)は、フランクのモデルの標準的なバージョン(コンデプディ=ネルソンモデル)を取り上げ、そのランダム性の影響を表す解析的な式を導いた。鍵となる単純化は次のとおりだ。キラル分子の総量は左右のバランスよりずっと速く落ち着くので、問題はただ一つの変数、キラル不均衡に帰着する。

そこから浮かび上がるのは、二つの谷(それぞれの手に一つずつ)が丘(50対50の状態)で隔てられた地形を転がるビー玉の姿だ。ランダムな衝撃がビー玉をあちこちに押しやる。2人はすべての式を、反応のコンピューターシミュレーション(それぞれ5万回の試行の平均)と照らし合わせて確認した。

少数がもたらす三つの効果

1. 少数派が勝つことがある。 特定の手に行き着く確率は、初期の過剰とともに0から1まで滑らかに増え、出発点が釣り合っているときにちょうど2分の1を通る。最初に少なかった手が勝つ可能性は常にある。小さな系では、その可能性は出発点が二つの谷のあいだのどこにあるかだけで決まる。大きな系で重要なのは、ランダムな揺らぎの典型的な大きさと比べた過剰であり、揺らぎは分子の数が増えるにつれて小さくなる。

2. 偶然が過程を速める。 手を選ぶのに必要な時間は、系の大きさとともに長くなり、初期の過剰が大きくなると短くなる。ランダムな衝撃は、ビー玉が丘の頂上を早く離れる助けになる。生命の起源にとって、これは重要だ。選択にエネルギーの持続的な流れが必要なら、その流れは少なくとも選択にかかる時間と同じだけ続かなければならない。

3. 選択が反転することがある。 分子が原料から速く作られ、二つの手のあいだの競合が弱いとき、ビー玉は丘を飛び越えることができる。つまり混合物の手が入れ替わる。丘の高さは分子の数に比例して高くなり、飛び越える頻度はその高さとともに指数関数的に下がる。そのため、系が大きくなるにつれて入れ替わりは消えていく。

分子が1,000個だと混合物は何度も手を入れ替え、2,500個だと一度だけ入れ替わり、5,000個だとそのまま動かない。— 図7、Silva-Dias & Weber (2026), arXiv:2610.13523.

規模の問題

著者らは、揺らぎには二つの異なる役割があると結論づけている。どちらの手が最初に選ばれるか、そしてどれだけ速く選ばれるかを左右し、さらに後になってその選択を不安定にすることもある。この分析は、生命の起源のシナリオに一つの制約も課す。選択は、非平衡の条件が続いているあいだに起こらなければならない。

この研究が扱うのは一つの反応スキームだけで、空間構造のないよく混ざった系に限られる。著者らはキラリティーに至るほかの経路、たとえば液滴に分離して液晶状態をつくる高分子などを挙げ、このアプローチをそれらに拡張することを提案している。