生命はどのようにして誕生したのでしょうか?太陽からの高エネルギー粒子が鍵となるかもしれない

地球上の生命はどのように始まったのでしょうか?これは現代科学の最大の謎の一つです。最近の研究により、太陽からの高エネルギー粒子が鍵となる可能性があることが判明しました。

生命の起源に関する初期の理論

地球が誕生した約45億年前、地球は不毛の岩石の球体であり、隕石の衝突が頻繁に起こり、噴火する火山が点在していた。科学者たちは、地球物理学と既存の化石記録に基づいて、45億年前から38億年前の冥王代にはすでに地球上に生命に適した条件が整っていたと推測している。しかし、複雑な化学的性質が当時どのような環境条件によって出現したのかは、これまでまったくわかっていませんでした。

初期の地球の芸術家による想像図。 （写真/NASA）

生命の起源を探る最も有名な実験の一つは、ミラー・ユーリー実験と呼ばれています。 1952年、シカゴ大学のスタンレー・ミラーとノーベル賞受賞者のハロルド・ユーリーは、密閉されたガラス容器に水、アンモニア、水素、メタンを注入し、初期の地球と考えられている大気環境をシミュレートする実験を行った。次に、容器内に電気火花を繰り返し送り込むことで雷をシミュレートしました。

1週間後、容器内にグリシン、アラニン、アスパラギン酸が生成されていることがわかった。そして、アミノ酸はタンパク質やすべての細胞生命の原料であることがわかっています。 1953年、ミラーとユーリーはこの実験の結果を公式に発表し、発表されると大きな反響を呼びました。これは、生命の出現に必要な複雑な有機分子が、初期の地球の大気中の基本成分のいくつかから形成された可能性があることを示唆している。そのため、多くの科学者は、生命は生命の基本分子が豊富に含まれる「原始スープ」、つまりダーウィンが述べた「小さな温かい池」から生まれたと考えています。

しかし、生命の起源に対する答えはそれほど単純ではありません。過去 70 年間にわたる一連の新たな発見により、この説明はさらにわかりにくくなっています。主な問題の一つは、科学者が、アンモニアとメタンが、これまで考えられていたほど地球の初期の大気中に豊富ではなかったことを発見したことだ。その代わりに、初期の地球の大気は二酸化炭素と窒素で満たされていました。二酸化炭素と窒素もアミノ酸を生成することができますが、これら 2 つの分子の分解にはより多くのエネルギーが必要となり、生成されるアミノ酸の量は大幅に減少します。

より効率的なエネルギー源

では、これらの分子を分解するためのエネルギーを供給できる他のイベントは何でしょうか? 2023年4月28日、雑誌「ライフ」に掲載された新しい研究で、科学者たちはNASAのケプラー計画によって収集されたデータを分析中に、太陽からの高エネルギー粒子という新しいアミノ酸の供給源を発見しました。

私たちは、太陽が他のすべての星と同様に、ライフサイクルを持っていることを知っています。寿命を通じて、明るさとサイズは変化します。 2016年の研究によると、約40億年前の太陽の明るさは現在の4分の3程度だったと示唆されている。若い太陽は現在よりも暗かったが、その表面は大規模な噴火によって激しく揺れ、強力な「スーパーフレア」、つまり大量の光と放射線の爆発が頻繁に発生した。このようなスーパーフレアは、宇宙空間に放出される巨大なコロナ質量放出を伴うことが多い。

太陽爆発現象には、太陽フレア、コロナ質量放出、太陽高エネルギー粒子現象が含まれます。 (写真/NASA ゴダード宇宙飛行センター) (GIF: https://www.nasa.gov/science-research/heliophysics/a-stormy-active-sun-may-have-kickstarted-life-on-earth/)

現在、これほど強力なスーパーフレアは、およそ 100 年に 1 回しか発生しません。しかし、それが一度起これば、電力網、衛星、通信、ナビゲーションなどの現代のテクノロジーに大きな影響を及ぼすことになるでしょう。しかし、40億年前にはスーパーフレアが数日おきに発生していたため、光速に近い速度で移動する粒子が大量に放出されていたと考えられます。これらの高エネルギー粒子は地球の大気圏に突入し、化学反応を引き起こします。

新しい研究では、太陽からの高エネルギー粒子がアミノ酸を生成するためのエネルギー源であったかどうかをテストするために、研究者らは初期の地球の大気に関する現在の理解と一致するガスの混合物を作成した。しかし、初期の地球の大気中のメタンの量はまだわかっておらず、非常に少量であったことはわかっているだけなので、研究者たちは不確定な量のメタンを二酸化炭素、分子状窒素、水と混合した。

次に、実験では、太陽からの高エネルギー粒子をシミュレートするために、陽子をガス混合物に発射しました。同時に、電気火花放電を起こしてガス混合物を点火することで雷をシミュレートしました。

結果は、メタンの割合が0.5％を超えると、陽子（太陽粒子の模擬形態）を照射されたガス混合物が検出可能な量のアミノ酸を生成する可能性があることを示した。しかし、雷に似た電気火花放電によってアミノ酸を形成するには、約 15% のメタン濃度が必要です。

また、メタン含有量が 15% に達したとしても、火花放電によるアミノ酸の生成率は、陽子の 100 万分の 1 にすぎません。それだけでなく、陽子の衝撃は火花放電よりもアミノ酸の前駆体であるカルボン酸をより多く生成する傾向があります。他の条件が同じであれば、太陽の粒子は雷よりも効率的なエネルギー源であると思われます。

もちろん、この研究によって生命の起源の謎が解明されるわけではありません。生命の起源は壮大かつ複雑な命題です。これらすべてがどこでどのように起こったのかを正確に説明するのは困難です。私たちにできるのは、地球上に何兆もの種を生み出した出発点を復元するための最も適切な可能性を探求し、探し続けることだけです。

論文リンク:

https://www.mdpi.com/2075-1729/13/5/1103

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: プリンシパル

査読者: タオ・ニン、中国科学院生物物理研究所准研究員

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司