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地球の表面が海により固化すると、地殻はマントル対流に流されて割れ、プレートとなった。プレートは互いにぶつかり合い、遠ざかり、すれ違ったりした。プレートのサイズはマントル対流の大きさによって決まった。地球はまだ熱く、マントル対流は上下2層に分かれていたので、対流自体が小さかった。プレートの大きさは現在より小さく、数は遥かに多かった。また、消長も激しかった。
プレートのぶつかるところでは片方のプレートが上になり、もう一方がマントルの中に沈みこむ。沈み込んだプレートは水を含んでいるので地殻の下で融け、火山となって海底に噴出した。プレートの境界に沿って造山帯ができ、島が発達した。火山活動は地中から硫化水素、メタン、水素などの還元ガスを海中や大気中へ放出した。一方、マントルが湧きあがるところ、すなわち、プレートが造られ、遠ざかるところでは海嶺ができた。湧き上がるマントルからマグマが供給され、地殻が形成された。海嶺ではマントルからもたらされる熱で海底から熱水が噴出し、硫化水素、メタン、水素などの還元ガスや鉄やマンガンなどの金属硫化物が大量に海に供給された。
低分子化合物は海嶺の海底熱水噴出孔のような高温の環境で次第にアミノ酸、核酸塩基、糖、脂肪酸、炭化水素などの低分子有機化合物へと成長し、さらにこれらの低分子化合物が脱水縮合しながらつながり、タンパク質、核酸、多糖、脂質などの高分子化合物が生成した。熱水噴出孔は有機化合物生成炉として優秀である。高温(200-350℃)、高圧(200-300気圧)の環境であり、大量の熱エネルギーが絶えず供給されている。周りの冷海水が地殻の裂け目からしみ込んで熱せられて上昇し、冷海水の中に噴き出し、冷却されるというサイクルができている。高温で合成された有機物は直ちに冷却されるので、熱による分解を避けることができた。海水が循環するので、分子が何度でも化合し、成長するチャンスが与えられる。熱水噴出孔海水は、鉄、マンガン、銅、亜鉛などの金属イオンを普通の海水に比べて1000倍以上多く含んでいる。金属イオンは高温、高圧の熱水環境下で有機物を重合させる触媒として優秀であり、タンパク質や核酸の合成が進んだと考えられる。
熱水噴出孔海水が海底の泥や岩石、地殻で濾過されるとき、高分子化合物は海底に蓄積した泥や砂と相互作用しながら沈殿した。たっぷりと有機物を含んだ柔らかな泥は、熱く、高圧の環境下にあって大量に蓄積されたに違いない。泥は水を含み、化学反応に必要な水溶液を閉じ込め、また、分子が吸着する足場を提供し、化学反応を触媒したかもしれない。高分子の有機物は集合し、細胞様の構造物ができた。
有機物の生産に必要な触媒は金属や鉱物の表面であったが、やがて、有機高分子そのものが触媒作用を持つようになった。そのような高分子は偶然に作られたであろう。海水中の重金属濃度や泥の粒子として供給される鉱物表面には地域差があったため、地球上の有機物の集積には地域による特徴があったに違いない。海底に蓄積された大量の有機化合物の固まりはプレートの移動とともに、運ばれて他所の有機物の泥と混合された。同時に、触媒作用を持つ物質も移動し、混合された。また、隕石の落下により巻き上げられて移動し、他の熱水噴出孔近辺へと移動し、そこで独自に発達した有機物の泥と混合された。発達した触媒作用が混合することにより、さらに複雑な有機複合体が作られた。
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生命の誕生の場は深海であると考えられています。とくに、海底熱水噴出口の周りが第一候補です。その理由は分子進化系統樹の幹（出発点）に超好熱菌が存在することがあげられます。超高熱菌は海底熱水噴出口の周りから分離されます。噴出口には多様な生物が集まって特殊な生態系を造っています。しかし、生体分子は高温では不安定です。生命活動の中核を担う有機高分子は特に不安定です。そのため、高温環境下で生命が誕生した説に疑問を持つ科学者も多い。ただ、誕生したのは海中という点では一致するようです。
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海の中は水です。水はユニークな特長を持っています。たとえば、水は氷になると体積を増えます。他のほとんどの液体は固体になると体積が減ります。氷の場合は水に浮きます。また、水の沸点はよく似た化学構造を持つ化合物の中でも異常に高い。すなわち、蒸発する時には多くの熱を奪います。また、比熱の高い液体です。比熱が高いということは熱しにくく冷めにくいということです。さらに、水は物質を溶かしやすい。言い換えると、分子を水分子が取り込みやすい性質があります。
生命の誕生を語るとき、また、地球の歴史を考えるとき、水の性質を理解しなければなりません。
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水分子酸素原子Oと２個の水素原子Hが共有結合で結ばれています。H２O（２は下付）を書きます。酸素をはさんで、水素が結合しています（H-O-H）が、その角度は180°ではなく、104.5°です。酸素原子を正四面体の中心に置いたとき、O-H結合はこの酸素原子から正四面体のほぼ頂点方向に伸びています。正四面体の中心角は109.5°ですから、全く同じではありません。正四面体はマッチ棒6本で正三角形4個を作るパズルでおなじみ。4面が正三角形です。水分子を正四面体になぞらえたとき、残りの２つの頂点には酸素原子の2個の非共有電子対（孤立電子対：電子が2個ペアになって他の原子との結合性を失ったもの）があります。
酸素原子は電子をひきつけやすく（電気陰性度が大きいといいます）、水素原子は酸素原子に電子を奪われます。電子を粒として捉えると変な話になりますが、電子を存在確率の雲（電子雲）として捉えると少しイメージしやすくなります。電子雲は酸素原子に引っ張られ、酸素はちょっとマイナスに、水素はちょっとプラスになります。分子内にできた電子雲の偏りを極性と呼びます。水分子Aの水素原子は隣の水分子Bの酸素原子との間に静電気力で引力が発生します。水分子Bの水素原子は隣の水分子Cの酸素原子と弱いながら結合します。この繰り返しで水分子は小さな集団となっています。水素は電子１個しかないですから、電子雲がちょっと偏っただけで比率としては大きな極性ができます。水素は電子分布の偏りによる結合を作りやすい。このような結合を水素結合と呼びます。
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水素結合はイオン結合や共有結合より弱い結合で、原子間の距離も大きくなります。水が凍って氷になるとき、水分子を固定するのが水素結合です。一つの水分子は最大で４つの水分子と水素結合し、六方晶系の結晶構造となることができます。液体のとき、水の水素結合の数は０〜４個です。水分子は水素結合しないときのほうが分子間の距離が小さくなります。水を冷やすと、他の液体と同じように体積が小さくなりますが、約４℃で最も比重が高くなった後、分子あたりの水素結合の数が増えて氷に近づき、密度が大きくなります。０℃で水分子は４つの隣の水分子と水素結合し、分子の間の距離がやや大きくなります。氷は比重0.9という値になり、４℃での水の比重１に対して浮くことになります。
もしも氷が水よりも重ければ､湖水や河川や､海でも表面が冷やされると、氷は底に沈み、やがて水全体が凍ります。実際はそうではなく､水は氷の蓋でがっちりと保護され、氷は大気によってどんどん冷えて零下になりますが、その下は液体の水の状態を保ってくれます。４℃で死ななければ生命体は水の底で生きながらえることになります。
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通常の液体の分子がファンデルワールス力（べたべたした結合）で結合することに比べると、水素結合による結合はかなり強い結合になります。水素結合によって種々の水の特長を説明できます。
液体と気体の界面にある液体分子は内部の分子には左右上下に結合しています。しかし、上には結合する分子がありません。表面の分子では内側に引かれる力が大きくなり、表面張力を発生します。分子間力が大きい液体ほど表面張力は大きくなります。水の表面張力は水素結合により水分子が互いに大きな力で引き合っているため、大きな表面張力を持ちます。
身近のところで、水より表面張力が大きい液体は水銀です。水銀原子が金属結合により強く結ばれているからです。溶融した鉛や鉄も大きな表面張力をもっています。
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水はいろいろな物質を溶かす力があります。水に溶けた分子は当然のことながら、水分子に囲まれています。溶質分子あるいはイオンがその周囲に数個の水分子を引きつけて結合し、一つの分子集団を作る現象を水和といいます。
イオンは電子の核を完成させるために、電子を完全に取り込んだ（マイナスイオン）か、放出（プラスイオン）した原子もしくは分子です。水中では水分子が極性（酸素と水素の間の電子雲の偏り）をもち、さらに、イオンの電荷によりさらに大きな極性を誘導されるために、イオンと水分子は結合しやすく（水和しやすく）なります。
すべてのイオンを発生する物質（電解質）が水によく溶けるわけではありません。電解質によっては一定の濃度にしか溶けないものもあります。溶けやすい電解質の代表例は塩化ナトリウムでほぼ完全に解離しています。一方、難溶性の塩には、炭酸カルシウム（石灰岩の主成分）や酸化鉄があります。
同じように極性を持つ分子は水に溶けます。気体では二酸化炭素が代表例で、水分子1分子を取り込んで、炭酸になります。大気中の窒素酸化物や硫黄酸化物が水に溶解すると、炭酸よりももっと強力な酸が生じます。工場や自動車から排出される酸化物が雨に溶けて酸性雨として地上に降りそそぐと、大理石やコンクリートの建造物に脅威を与え、また、森林を枯らします。
生体高分子ではカルボキシル基やアミノ基などの極性基に水和が起こります。水和によって分子の性質が変わり、例えば生体分子の反応を触媒する酵素の活性はその水和量に依存しています。
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天然の有機物の多くは水に溶けます。高分子であるでんぷんやセルロースも少し熱を加えたりすると水に溶けます。もともとでんぷんやセルロースは水酸基と言う極性基をたくさん持っています。タンパク質は表面に多くの電荷や極性基を持ち、水によく溶けます。
極性のない気体、窒素やメタン、ネオンなどもすこし水に溶けます。圧力が高いと気体が水に溶ける量が多くなります。また、温度が高いと水に溶ける量が減ります。金魚は水温が高いと酸素不足になります。
気体分子の周りには水素結合で結合した水分子の籠ができます。言い方を変えると、隙間の大きい、氷型の水の結晶の間を少し広げて気体分子が入り込む格好になっています。このような形をクラスレートと呼びます。水の籠は低温・高圧では安定します。クラスレートは安定した構造なのでクラスレート単位で結合し、濃度が高いと固体になります。海底1000mにできるメタンハイドレートは地球温暖化や海底資源として注目されているクラスレートです。
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極性のない有機化合物は水にわずかに溶けますが、量が多い場合は分離します。水と油の関係です。油を水に加えて強く攪拌すると、油の粒が水の中に分散します。ドレッシングを思い浮かべてください。分散した油の粒子は比重にしたがって上へ移動して、ぶつかると融合し、最終的に水と分離します。このとき、極性基と非極性基がつながったような分子（界面活性剤、洗剤、石鹸）を加えてやると、油と水の間に膜を作り、比率と粒子の大きさを調整すると分散した油の粒子は融合せず、粒が分散したままになります。クリームやマヨネーズを思い浮かべてください。このような液体をエマルジョンと呼びます。エマルジョンは多くの化粧品、水性塗料に利用されています。
同じどろどろ状態で、油と水の混合物に限らないものをゾルと呼びます。水の中にたくさんの微粒子が分散された状態です。歯磨きや顔料系の塗料、どろどろした食感の食べ物などです。水をたくさん含んだまま、高分子が固まった状態をゲルと呼びます。プリンやこんにゃくです。
エマルジョンやゾル、ゲルは水の中にたくさんの有機物が分散した状態の代表例です。生命体はこうした状態から成り立っています。
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今回は長くなってしまいました。水については、まだ、酸性とアルカリ性、吸着現象、湿度、鉱物の加水などの重要な性質や現象があります。今回は生命の起源や分子レベルでの生命活動を説明するのに必要と思われる水の性質についてまとめてみました。少し専門的な内容が続くと思いますが、イメージ重視で行きたいと思います。生命の起源について、はたして、明快に分子レベルで説明できるでしょうか？昨年は構想が完結せず、あきらめてしまいました。結論から言うと、現在の生物が行っている高度で洗練された分子機構を「無生物的に作り上げる過程は科学的にはまだ説明できていない」ということです。
つづく
