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Nov 30, 2023

地球上で生命が最初に誕生したのはどこですか? NASAの複雑な熱水炉が新たな証拠を提供

Di Jet Propulsion Laboratory 3 maggio 2020 Bocca sottomarina chiamata "White Smoker"

ジェット推進研究所 2020年5月3日

「ホワイトスモーカー」と呼ばれる海底噴出孔は、ミネラル豊富な水を海に吐き出し、生物のエネルギー拠点として機能します。 一部の科学者は、地球上の生命は数十億年前に海底の同様の噴出孔の周囲で始まった可能性があると考えています。 クレジット: NOAA/C. ドイツ語 (WHOI)

科学者たちは、実験室で岩だらけの海底の煙突を模倣することにより、これらの特徴が生命を始動させるための適切な材料を提供した可能性があるという新たな証拠を提出した。

Where did life first form on Earth? Some scientists think it could have been around hydrothermal vents that may have existed at the bottom of the ocean 4.5 billion years ago. In a new paper in the journal Astrobiology, scientists at NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> NASA のジェット推進研究所は、複雑な実験設定を使用して古代の可能性のある海底環境をどのように模倣したかについて説明しています。 彼らは、極度の圧力下で、海水と混合した古代の海底の亀裂からの流体が熱水噴出孔からの鉱物と反応して、地球上のほぼすべての生命を構成する構成要素である有機分子を生成した可能性があることを示しました。

In particular, the research lays important groundwork for in-depth studies of such ocean worlds as SaturnSaturn is the sixth planet from the sun and has the second-largest mass in the Solar System. It has a much lower density than Earth but has a much greater volume. Saturn's name comes from the Roman god of wealth and agriculture." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Saturn's moon Enceladus and JupiterJupiter is the largest planet in the solar system and the fifth planet from the sun. It is a gas giant with a mass greater then all of the other planets combined. Its name comes from the Roman god Jupiter." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Jupiter's moon Europa, which are both thought to have liquid-water oceans buried beneath thick icy crusts and may host hydrothermal activity similar to what's being simulated at JPLThe Jet Propulsion Laboratory (JPL) is a federally funded research and development center that was established in 1936. It is owned by NASA and managed by the California Institute of Technology (Caltech). The laboratory's primary function is the construction and operation of planetary robotic spacecraft, though it also conducts Earth-orbit and astronomy missions. It is also responsible for operating NASA's Deep Space Network. JPL implements programs in planetary exploration, Earth science, space-based astronomy and technology development, while applying its capabilities to technical and scientific problems of national significance." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> JPL。 この研究分野は宇宙生物学として知られる研究分野に属しており、その研究は元 NASA 宇宙生物学研究所の一部である JPL Icy Worlds チームによって行われました。

一部の科学者は、地球上の生命の物語は、45億年前の海底の熱水噴出孔の周囲で始まったのではないかと考えています。 NASA のジェット推進研究所の科学者は、複雑な実験設定を使用して古代の海底環境を模倣しました。

海が生命であふれる前に、新しく形成された地球の海底に存在していたかもしれない状況をシミュレートするために、当時大学院生だったローレン・ホワイトとその同僚は、3つの重要な成分を組み合わせた実験を行った。海底の下から通気口を通って流出した可能性がある。 古代の大気からのものと同じように、二酸化炭素が豊富な海水。 そしてその環境で形成された可能性のあるいくつかの鉱物。

White and colleagues — including her graduate advisor, retired JPL scientist Michael Russell — simulated vents that didn't spew particularly hot water (it was only about 212 FahrenheitThe Fahrenheit scale is a temperature scale, named after the German physicist Daniel Gabriel Fahrenheit and based on one he proposed in 1724. In the Fahrenheit temperature scale, the freezing point of water freezes is 32 °F and water boils at 212 °F, a 180 °F separation, as defined at sea level and standard atmospheric pressure. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Fahrenheit, or 100 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">摂氏）。 実験装置を作成する際の大きな課題の 1 つは、海面下 0.6 マイル (1 km) で確認されたのと同じ圧力、つまり海面の気圧の約 100 倍を維持することでした。 これまでの実験では、個々の高圧チャンバー内で同様の化学反応がテストされていましたが、ホワイト氏らは、流体の流れや混合の仕方など、これらの環境の物理的特性をより完全に再現したいと考えていました。 これには、複数のチャンバーで高圧を維持する必要があり、プロジェクトがさらに複雑になります。 (高圧チャンバーが 1 つでもあると亀裂や漏れがあれば爆発の危険があるため、このような場合には装置と科学者の間に防風シールドを設置するのが標準的な作業手順です。)

NASA ジェット推進研究所の科学者ローレン ホワイトは、45 億年前に古代の海水と熱水噴出孔からの流体が海底の鉱物とどのように反応して有機分子を生成したかをシミュレートする実験を調整しています。 画像は 2014 年に JPL で撮影されました。クレジット: NASA/JPL-Caltech

The scientists wanted to determine whether such ancient conditions could have produced organic molecules — those containing carbon atoms in loops or chains, as well as with other atoms, most commonlyhydrogen. Examples of complex organic molecules include amino acids<div class="cell text-container large-6 small-order-0 large-order-1"><div class="text-wrapper"><br />Amino acids are a set of organic compounds used to build proteins. There are about 500 naturally occurring known amino acids, though only 20 appear in the genetic code. Proteins consist of one or more chains of amino acids called polypeptides. The sequence of the amino acid chain causes the polypeptide to fold into a shape that is biologically active. The amino acid sequences of proteins are encoded in the genes. Nine proteinogenic amino acids are called "essential" for humans because they cannot be produced from other compounds by the human body and so must be taken in as food.<br /></div></div>" data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">amino acids, which can eventually form DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person's body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">DNA and RNARibonucleic acid (RNA) is a polymeric molecule similar to DNA that is essential in various biological roles in coding, decoding, regulation and expression of genes. Both are nucleic acids, but unlike DNA, RNA is single-stranded. An RNA strand has a backbone made of alternating sugar (ribose) and phosphate groups. Attached to each sugar is one of four bases—adenine (A), uracil (U), cytosine (C), or guanine (G). Different types of RNA exist in the cell: messenger RNA (mRNA), ribosomal RNA (rRNA), and transfer RNA (tRNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">RNA。

But just as eggs, flour, butter, and sugar aren't the same thing as a cake, the presence of both carbon and hydrogen in the early oceans doesn't guarantee the formation of organic molecules. While a carbon and a hydrogen atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">この先史時代の海では、原子が互いに衝突する可能性は十分に考えられますが、それらが自動的に結合して有機化合物を形成することはありません。 このプロセスにはエネルギーが必要で、ボールが自然に丘を転がっていかないのと同じように、炭素と水素はエネルギー的に押されなければ結合しません。

ホワイト氏らによる以前の研究では、熱水噴出孔を通って脈動する水が硫化鉄を形成した可能性があることが示された。 硫化鉄は触媒として作用することでエネルギー的な推進力を発揮し、炭素と水素が反応するのに必要なエネルギー量を減らし、有機物を形成する可能性を高めます。

新しい実験では、古代の海底噴出孔が当時存在した場合、その周囲の物理的条件下でこの反応が起こる可能性が高いかどうかをテストした。 答え？ はい。 研究チームは、ギ酸塩と微量のメタン、どちらも有機分子を生成しました。

地球上で自然に発生するメタンは、主に生物によって、または植物や動物を含む生物学的物質の崩壊によって生成されます。 他の惑星のメタンも生物活動の兆候である可能性はありますか? メタンを使用して他の世界の生命を探索するには、科学者はその生物学的発生源と、ホワイト氏とその同僚によって特定されたような非生物学的発生源の両方を理解する必要があります。

「これらの反応が圧力や流れなどの物理的要因の存在下で起こることを示したことは非常に重要だと思います」とホワイト氏は語った。 「これらの環境で生命が形成された可能性を証明するには、まだ長い道のりがあります。しかし、誰かがそれを主張したいのであれば、プロセスのすべての段階の実現可能性を証明する必要があると思いますが、それはできません」何でも当然のこととして受け止めなさい。」

この研究は、地球上の生命は地球の初期の海の底で形成された可能性があるというマイケル・ラッセルの仮説に基づいています。 有機分子の形成は、このプロセスの主要なステップとなります。 同じJPL研究グループの科学者たちは、初期の海洋の化学条件を再現してそこでアミノ酸がどのように形成されるかを実証するなど、この研究の他の側面を調査した。 しかし、新しい研究は、それらの環境の物理的状態を再現したという点でユニークです。

今後数年のうちに、NASAは木星の周回軌道を周回し、氷の衛星エウロパを複数回飛行するエウロパ・クリッパーを打ち上げる予定だ。 科学者らは、そこにあるプルームが、約2～20マイル（3～30キロ）の氷の下にある月の海から宇宙に水を噴出させている可能性があると考えている。 これらのプルームは、深さ約 50 マイル (80 キロメートル) と考えられている海の底で起こり得る熱水過程に関する情報を提供する可能性があります。 この新しい論文は、私たちの海以外の海で起こる可能性のある化学についての理解の深まりに貢献し、科学者がそのミッションや今後の他の海洋での発見を解釈するのに役立ちます。

参考文献: 「JPL 水熱反応器を使用した生命の出現に適用できる蛇紋岩化のシミュレーション」Lauren M. White、Takazo Shibuya、Steven D. Vance、Lance E. Christensen、Rohit Bhartia、Richard Kidd、Adam Hoffmann、Galen D . Stucky、Isik Kanik、Michael J. Russell、2020 年 3 月 2 日、Astrobiology.DOI: 10.1089/ast.2018.1949