炭素質コンドライト隕石およびその他の地球外天体中の有機物は、太陽系における化学と母天体上のプロセスの両者の履歴を記録していますが、炭素質コンドライト隕石中にはアミノ酸が存在することがたびたび報告されており、これらは地球や他の天体における生命の起源に関与する重要な生命前駆物質であると考えられています。東京工業大学 地球生命研究所(ELSI)の科学者が主導する研究グループは、水質変変成を経験した炭素質コンドライト隕石中のアミノ酸存在度が非常に低いという謎を説明できる化学プロセスを発見しました。この発見は、太陽系天体における初期化学進化を明らかにするための新たなヒントを与えるものです。

 

図1:氷微惑星(炭素質コンドライト隕石の母天体)における水と岩石の相互作用によって引き起こされるアミノ酸の宇宙電気化学的変成のモデル。岩石コア(灰色)と地下海マントル(青色)の水/岩石質量比(W/R比)の違いにより、pHと酸化還元度に勾配が生じる。W/R比が低い(<1)多孔質で岩石に富むコアでは、流体はアルカリ性(pH9~13)に緩衝され、蛇紋岩と磁鉄鉱が主要な鉱物として存在する。流体中には電子供与体となる水素分子が豊富に含まれている。水素分子が酸化されプロトン・水になると電子が発生し、その電子は導電性鉱物を介して移動して硫化鉱物とマントルの流体の界面でアミノ酸の触媒的還元変成の引き金となる。 Credit: Li et al. Nat. Comm. 2022

 

炭素質コンドライト隕石は、太陽系で最も始原的な物質の一つです。炭素質コンドライトにはアミノ酸などの有機物が普遍的に含まれており、地球や他の天体上で生命が誕生するための重要な材料物質であると考えられてきました。一方、アミノ酸の化学的多様性は、炭素質コンドライト隕石の母天体の集積前後の化学進化を記録しています。過去10年の間、分析装置の進歩、様々な炭素質コンドライトサブグループの試料の増加、より正確な岩石学的分類システムの開発により、母天体プロセスがどのようにこれらの有機物に影響を与えたのかについての研究が進んできました。
 

しかし、母天体上の化学反応に関する実験結果と隕石記録との間には大きな食い違いがあります。これまでの研究で、始原的な分子を含む水溶液中でアミノ酸が合成されうることが分かっており、長期の水質変成によってアミノ酸が蓄積された可能性が示唆されていました。しかし、実際にはより水質変成を経験した炭素質コンドライトほどアミノ酸が枯渇しているという、「水のパラドックス」が指摘されています。この謎を解くため、ELSIのYamei Li、関根康人、黒川宏之、中野祐子、レンセラー工科大学のKristin Johnson-Finn(研究当時・ELSI研究員)および海洋研究開発機構の北台紀夫の研究チームは、この「水のパラドックス」を解決する新しい低温宇宙電気化学プロセスを発見し、水質変成度の新しい分子指標を提案しました。
 

研究チームは、水と岩石の相互作用によってつくり出される酸化還元度勾配によって駆動される、宇宙電気化学と名付けられた新しいモデルを提案しました(図1)。このモデルでは、水と岩石の相互作用によって発生した水素分子ガスが電子供与体として働き、流体と鉱物の界面でアミノ酸を宇宙電気化学的に変成します。研究チームは、3種類のモデルアミノ酸(グリシン、アラニン、バリン)がアミンとヒドロキシ酸アナログに分解され、この2種類の化合物がアミノ酸と共存した状態で水質変成を強く経験した炭素質コンドライトに濃縮することを見いだしました(図2)。反応においては、炭素質コンドライトにも含まれている鉄とニッケルの硫化鉱物が重要な触媒として機能します。研究者らは、8チャンネルの電気化学反応器を用いて、酸化還元条件や触媒の違いによる反応速度の変化を調べました。
 

この研究は、太陽系の氷天体における有機物進化を理解するための新しいステップを踏み出すものです。研究者らは、アミノ酸の宇宙電気化学的変化が太陽系氷天体に見られる派生有機物や関連分子の起源である可能性を提唱しています。この説は、将来のケレスやエンケラドゥス、その他の氷天体の探査ミッションにおいて検証することができます。また、このモデルと結果は、はやぶさ2によって最近サンプルが持ち帰られた小惑星リュウグウ物質に生じた地理化学的プロセスの理解にも役立つ可能性があります。

 

図2:CRコンドライト中のアミノ酸、アミン、ヒドロキシ酸の有機的分布に基づく、変成支配型と合成支配型の特徴。グリシン、アラニン、バリン、およびそれらの構造的に関連するアミンとヒドロキシ酸のモル存在量をそれぞれ a、b、c にプロットした。存在量と下部に示したCRコンドライトの岩石学的分類は最近の報告(Aponte et al. MPS, 2020)から得たものである。d, e, f はそれぞれグリシン、アラニン、バリン関連化合物のアミン/アミノ酸、ヒドロキシ酸/アミノ酸のモル比をプロットしたものである。gは、低温水溶液中でのアミノ酸(過程2、3)、アミン(過程4)、ヒドロキシ酸(過程1)の合成反応(赤矢印)と、アミノ酸をヒドロキシ酸やアミンに変化させる電気化学プロセス(青矢印、工程5、6)を模式的に描いたものである。略号 HMA:2-ヒドロキシ-3-メチルブチレート。Credit: Li et al. Nat. Comm. 2022

 

掲載誌 Nature Communications
論文タイトル Geoelectrochemistry-driven alteration of amino acids to derivative organics in carbonaceous chondrite parent bodies
著者 Yamei Li1*, Norio Kitadai1,2, Yasuhito Sekine1,3, Hiroyuki Kurokawa1, Yuko Nakano,1 Kristin Johnson-Finn1,4
所属 1. Earth-Life Science Institute, Tokyo Institute of Technology, 2-12-1-IE-1 Ookayama, Meguro-ku, Tokyo, Japan.
2. Super-cutting-edge Grand and Advanced Research (SUGAR) Program, Institute for Extra-cutting-edge Science and Technology Avant-garde Research (X-star), Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC), Yokosuka, Japan.
3. Institute of Nature and Environmental Technology, Kanazawa University, Kanazawa, Japan
4. Department of Chemistry and Chemical Biology, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY, USA.
DOI 10.1038/s41467-022-32596-3
出版日 2022年8月19日