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原始地球の海の深さはほぼ2000mと見積もられている。太古代のマントル対流は2層に分裂していた。上の層は厚さが670kmほどであり、乱流となっていた。対流はほぼ円形でその上にほぼ同じ大きさのプレートが乗っていた。海洋地殻は直径が700kmほどのプレートに分かれていた。地球表面全体には200枚ほどあった計算になる。プレートはマントル対流に乗って移動し、プレートが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。マントルが湧きあがってプレートが生成するところでは熱水噴出孔が存在し、プレートが沈み込むところでは海溝が形成された。沈み込んだプレートは水を含んでいるのでマントル中で比較的低い温度で融け、マグマとなって噴出し、大量の花崗岩を含む海底火山を作った。
原始地球には陸地はほとんどなかった。陸地は大気の流れに影響する。雲は現在のように錯綜したパターンを示すのではなく、木星や土星の縞模様のように規則正しく並んでいたであろう。海流も同じように規則正しく、層状に並んでいたのではないか。マントル対流は地球の自転の影響を受けただろうか？ 堆積岩は作られたとしてもわずかである。海底に有機物の沈殿があったとしても地中深く埋没することは稀であった。海底に存在したものは海溝の沈み込み帯に付加体として蓄積した。付加体は主に火山からの噴出物で埋没した。プレートの移動速度が1年間に３cmとすると、約2000万年でプレート１枚はマントルへ入り込む。そのとき、弧状列島にたくさんの付加物を残した。
やがて、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。原始の地球では弧状列島、中央海嶺の総延長は現代の20倍近くあったであろう。プレート境界ではマントルの熱が放出されるので、現在より効率的にマントルが冷やされたはずである。
一方、海嶺では湧きあがるマントルにより海の底に割れ目ができ、湧き上がるマントルからマグマが供給され、玄武岩質の地殻が形成された。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。
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。低分子化合物は次第にアミノ酸、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。
+++ 生命の誕生の場は深海であると考えられている +++
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、生命活動の中核を担う有機高分子は高温環境では不安定です。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。
+++ 生命の誕生や地球の歴史には水が関わっている +++
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、様々な分子を水分子が取り囲みやすい性質があります。
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。
+++ 水分子は水素結合で結ばれる +++
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。
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。
+++ 水は固体になると軽くなる +++
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結合しながら小さな集団となっています。液体とは、分子が結合せずに集合したものですが、水分子は局所的に結合した集団である固体の部分を含みます。
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ります。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い。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、隙間が多くなります。０℃で水分子は４つの隣の水分子と水素結合し、分子の間の距離が最大になります。逆に密度、比重は大きくなります。氷は比重0.9で、４℃での水の比重１に対して浮きます。
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存できます。
+++ 水は表面張力が大きい +++
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。
+++ 水は様々な物質を溶かす +++
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。
イオンは電子の殻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。水分子は極性（酸素と水素の間の電子雲の偏り）をもちますが、イオンの電荷があるとさらに大きな極性を誘導されます。イオンと水分子は結合しやすく（水和しやすく）なり、水分子の集団に溶け込みやすくなります。
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）があります。
極性を持つ分子はイオンと同じように水に溶けます。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。
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。
+++ 酸とアルカリ +++
酸とアルカリは高校の化学で水素イオンと水酸イオンの働きとして学習します。よく知られているように、水分子（H2O）は水溶液中で解離して水素イオン（H+）と水酸化物イオン（OH-）を作ります。H+は水和してヒドロニウムイオン（H3O+）になっています。化学的には酸やアルカリの働きはこのイオンによりますが、日常的には水分子の解離を促す物質のことを酸やアルカリと呼びます。水素イオン（H+）と水酸化物イオン（OH-）は同時に増えることはなく、どちらかに偏ります。同時にできると反応して水分子に戻るからです。水の中で水素イオンを作り出す物質が酸で、塩酸や硫酸、酢酸などがあります。
+++ 水に溶けない物質 +++
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。
+++ 水分のコントロール +++
湿度は温度と共に私達の日常生活に密接に関係します。湿度は空気中に含まれている水蒸気の量を示します。イメージ重視で表現すると、「空気が水でどの程度いっぱいになっているか」の尺度で、％で表します。湿度計は、毛髪湿度計など水蒸気の収脱着により固体が伸縮する性質を利用したものです。水は空気中と固体で自在に出入りし、局所的に平衡状態になると考えられます。
固体の中の水分量は含水量で表現されます。湿り気のことです。
衣料の繊維には、アミド結合、エステル結合、水酸基などの極性の高い官能基が含まれています。水に関して表現すると親水性官能基とも呼ばれます。天然繊維の吸湿性が優れているのは、素材が親水性であるとともに、表面が不規則で毛管現象により吸水能力が高くなっているためです。合成繊維も表面に亀裂を入れたり、断面を円形ではなくＬ字型などの異形にしたり、あるいは多孔質化するなどの方法が開発されています。また、疎水性（水をはじく）繊維を多層構造にして、水蒸気（分子）は外部に放出しますが、水粒子ははじく防水加工も考案されています。
多量の水を吸収する高吸水性高分子は余分な水を吸い取る機能、水をためる機能、体に優しいことなどから、医・衛生材料（オムツ、コンタクトレンズなど）、農・園芸材料（保水材、吸水シート）として広く利用されています。
+++ 飲料水 +++
私達が飲めない水には２種類あります。一つは消毒が不完全で病原菌が入っているか、それを殺すために使った消毒薬（塩素化合物）がきついものです。他の一つは硬度が高い水、特にマグネシウムが多く含まれている水です。マグネシウムイオン（プラスイオン）は硫酸イオン（マイナスイオン）と対になっていることが多い。硫酸マグネシウムは弱い下剤ですので、硬水をたくさん飲むとおなかをこわします。純水を作る手段として、蒸留、イオン交換樹脂を通す、逆浸透膜を通すなどの方法があります。通常はこれらの方法を組み合わせます。純水は作るより、保存する方が大変です。
奇異に感じるのはミネラルウオーターです。ミネラルウオーターとは要するに水です。農林水産省や厚生労働省のガイドラインでは水道水をビンに詰めてもミネラルウオーターとして販売できます。特殊なミネラルが入っているわけではありません。イメージ商品ですが、水道水を敬遠する子供たちには何か特殊な、ありがたい水のように感じられるのでしょう。水は飲まないけど、ミネラルウオーターなら飲みます。今では大人もそうでしょうか。
日本では「水と空気はただ」という考え方が普通でした。しかし、環境汚染の影響で、ただとは言えなくなってきました。また、蛇口をひねれば水が使える感覚が当たり前になったために、水をそれこそ湯水のように使う生活になっています。水不足は深刻です。過去にあった「農業用水をめぐって村同士で争う」ような事態も懸念されます。ライフスタイルを考え直さなければならないのでしょうか。
つづく
