金星生命事件により、この新興研究分野はほぼ行き詰まりに陥りました。

遠い星空で地球外生命体を精力的に探している科学者たちは、常にバイオマーカーを重要な指標として頼りにしてきました。地球外生命体は今日に至るまで謎に包まれたままですが、バイオマーカーに対する批判、特にその不確実性に関する疑問は、地球外生命体の探索にさらなる課題をもたらし、宇宙生物学の方向性をさらに混乱させているようです。

編集：Xiaoye

2020年9月、国際的な天文学者チームが発表した発見は、世界中で大きなセンセーションを巻き起こしました。

彼らはネイチャー・アストロノミー[1]誌に論文を発表し、地球ほどの大きさの惑星である金星の大気中に高濃度（100ppb）のホスフィンガス吸収線が検出されたことを報告した。考えられる原因を分析した結果、研究者らは、金星にはこれまで知られていなかった光化学反応があるか、あるいは大気中のホスフィンが何らかの生命が残した痕跡である可能性があると結論付けた。

後者の推測は、「金星に生命あり」といった見出しですぐに世界中で話題になった。ニューヨークタイムズ紙が報じたところによると、「科学者たちは、ホスフィンは生物学的プロセス以外では生成できないことを知っており、そのため、この化学物質の起源については生物が唯一の説明であると主張している。」

しかし、それは真実ではありません。

金星の大気圏における生命の存在については、何年も経った今日でも依然として大きな論争が続いています。科学界は、金星にホスフィンが存在するかどうかさえ合意に至っておらず、ましてやそれが地球外生命の強力な証拠であるかどうかについては合意に至っていない。

地球外生命の兆候を探すにはどうすればいいのでしょうか?

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「金星に生命が存在する」というニュースが世界中に広まると、すぐに学術専門家から疑問の声が上がった。

まず、金星の自然環境は、まさに「煉獄」と言えるでしょう。岩石の表面の温度は日中に480度に達し、大気は二酸化炭素で満たされ、濃硫酸でできた雲があり、時折硫酸の雨が降ります。このような環境で、生命はどのようにして長期間生存できるのでしょうか? [2]

第二に、地球の大気中のホスフィン含有量は非常に低いものの、その主な原因は人間の活動、嫌気性微生物の放出、有機物の還元や分解などの光化学反応です。しかし、太陽系では、非生物学的手段によって生成されたホスフィンが土星と木星の大気の乱流中に存在し、惑星内部の高温高圧条件下で生成された後、大気中に継続的に放出されます。 2021年に米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載された論文[3]では、複数の電波望遠鏡のデータを分析した結果、金星のマントルに含まれるリン化物が活発な爆発的な火山活動によって大気圏に入り、大気中の硫酸と反応してホスフィンを生成したという説が提唱され、ホスフィンの非生物的発生源の可能性が説明された。

最後に、一部の専門家はチームのデータフィッティングの取り扱いを批判した。研究チームはアタカマミリ波サブミリ波干渉計（ALMA）の検出データを使用したが、ALMAデータにはノイズが多かったため、研究者らは多数の変数モデリングを使用してノイズを除去した。他の専門家は、このかなり積極的なデータ修復方法は偽陽性の結果を生み出す可能性が高いと指摘している。[4]

論文が発表されて2か月後、研究チームは論文ページの編集を通じて声明を発表し、データ処理方法が間違っていたこと、データの調整が研究の結論に影響を与えたことを認めた[1]。

さらに、NASAゴダード宇宙飛行センターの惑星天文学者ジェロニモ・ビジャヌエバ氏のチームは、この研究の基本データに疑問を呈した。ネイチャー・アストロノミーに提出されたコメントの中で、彼らは、元の論文の著者らが言及したホスフィンの吸収線は、実際には金星の雲層を構成する二酸化硫黄ガスである可能性があると指摘した[5]。したがって、元の論文チームが発見したものがホスフィンであるかどうかは依然として議論の余地があり、このガスが私たちの「友好的な隣人」に地球外生命体が存在する強力な証拠であるかどうかは言うまでもなく、さらなる観察と分析が必要です。

では、なぜ科学者は惑星の大気の組成についてそれほど関心を持っているのでしょうか?

まず、科学者が地球外生命体、さらには太陽系外生命体をどのように探しているかを理解する必要があります。太陽系の惑星については、望遠鏡によるリモートセンシング観測を行ったり、探査機や着陸船を打ち上げて「現地調査」を行い、生命の証拠を探すこともできます。しかし、何光年も離れた遠方にある太陽系外惑星の場合、現在のところ、主な、あるいは唯一の手段は、基本的に、地上または宇宙にあるさまざまな大型天体望遠鏡を使用してリモートセンシング観測し、まず大気を持つ太陽系外惑星を見つけ、次にその大気の組成を分析することです。

具体的には、銀河内の惑星が主星の前を周回するとき、主星から放射される光が惑星の大気を透過し、天文学者はこのときの光の色の変化を通じて惑星の大気の組成を検出することができます。星の光はさまざまな色で構成されており (下の図 1 を参照)、惑星の大気中の分子は星の光の特定の色のスペクトルを吸収できるため、連続した星のスペクトルは断続的になります (下の図 2 を参照)。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）のような大型望遠鏡は、失われたスペクトルを検出できるようになり、天文学者が惑星の大気の組成を推測するのに役立つだろう。

図1: 星の光の連続スペクトル

図 2: 地球に似た惑星の大気中のさまざまな分子によって星の光が吸収されると、不連続なスペクトルが現れます。

大気の組成を判定した後、科学者たちはさらにこれらのガスの発生源をたどり、それが生物活動によるものか非生物活動によるものかを判断し、最終的には観測対象の惑星に生命の兆候があるかどうかを判定します。最も原始的で単純な生活活動でさえ、人々にインスピレーションを与えるのに十分です。

最終段階では、バイオマーカーは生命の兆候の有無を示す基本的かつ広範な指標になります。地球は科学者に生命が存在することが知られている唯一の惑星であり、そのため地球外生命体の探索における唯一の基準となっている。過去または現在の生物学的製品に関連するあらゆる物質成分はバイオマーカーとみなすことができます。例えば酸素。地球上の多量の安定した酸素は、生物の光合成による継続的な生成の結果です。そしてメタン。地球上のメタンの大部分は生物活動によって生成され、人間の産業活動の産物でもある[6, 7]。

バイオマーカーの不確実性

しかし、バイオマーカーの発見は生命の兆候の存在を確認することになるのでしょうか?

物事は単純ではありません。宇宙の観点から見ると、地球から数光年離れた太陽系外惑星は言うまでもなく、地球に非常に近い金星の状況でさえ判断が難しいのです。

科学者が太陽系外惑星で推定バイオマーカーガスを検出した場合、ベイズ推定と呼ばれる統計的手法を使用して、3つの主要な確率に基づいて生命が存在する可能性を計算します。そのうち2つは生物学に関連しており、大きな不確実性があります。最初の確率は、惑星に関するすべての既知の情報を考慮した生命が存在する確率です。 2 つ目は「事前」確率であり、惑星上に生命が存在すると仮定し、惑星科学に関する現在の背景知識に基づいて検出可能な生命信号の確率を計算します。

3 番目の確率は、生命のない惑星が検出可能な生命の信号を生成する確率です。近年、ますます多くの研究者が、これがまさに彼らが直面している深刻な課題であることに気づき始めています。

図 3: 宇宙生物学者はベイズ推論を使用して、3 つの主要な確率をパラメータとして使用し、太陽系外惑星における生命の確率 P(life|D,C) を計算します。

P(D|C, 生命): 惑星に関するすべての既知の情報、つまりデータ (DATA) と惑星科学の背景知識 (CONTEXT) を考慮して、生命の出現確率を計算します。

P(life|C): 惑星科学の現在の背景知識に基づき、惑星に生命が存在すると仮定して、惑星が検出可能な生命の信号を生成する「事前」確率。

P(生命なし|C) : 生命のない惑星が検出可能な生命の信号を生成する確率

出典: 10.1089/ast.2017.1737[8]

昨年、アリゾナ州立大学の宇宙生物学者コール・マティス氏と東京工業大学地球生命研究所のハリソン・スミス氏は、BioEssays[9]に論文を発表し、太陽系外惑星のバイオマーカーを特定する上での最大の難しさ、すなわち生物学的プロセスと非生物学的プロセスを区別することについて議論しました。他の多くの研究では、非生物学的システムでも発生する可能性のあるバイオマーカーが提案されており、その結果、生命の兆候に対して偽陽性の結果が生じるため、生物学的活動に特有の明確なバイオマーカーを識別できることが重要です。

3番目のタイプの確率と密接に関連しているのは、ダラム大学の科学哲学者ピーター・ヴィッカースが提唱した「考えられていない選択肢」[10]の理論です。簡単に言えば、太陽系外惑星や太陽系外生命体の地質や化学環境など、解明されるべき謎は実はたくさんあります。では、あるガスの存在が検出されたとしても、それが生物起源のバイオマーカーであると判断する前に、科学者はどのようにして非生物起源の可能性がすべて排除されていると確信できるのでしょうか?

「私たちは常に新しいアイデアを模索しています。非生物由来のソースもあるかもしれませんが、まだ考えていません」とヴィッカーズ氏は語った。「これは宇宙生物学における予想外の代替説明です。完全に不可能だと責任を持って言うことはできません。確率は0から1の間です。何でもあり得ます。」[11]

NASAのウェッブ宇宙望遠鏡は2021年に打ち上げられ、運用中に太陽系外惑星K2-18 bの大気組成に関するデータを送信した。これを生命現象として捉える人もいるが、議論もある。 K2-18 bは地球から120光年離れています。その大きさは地球と海王星の間です。これは「スーパーアース」と考えられており、居住可能領域内の赤色矮星K2-18を周回している。 2023年、ウェッブ宇宙望遠鏡のデータにより、惑星の大気中に統計的に弱い痕跡量のジメチルスルフィド（DMS）が存在することが示された。[12]地球では海洋生物がDMSを生成するため、研究者らは地球が居住可能な海面を持つ「水の世界」である可能性があると説明している。

しかし、他の科学者たちは同じガスについて異なる説明をしている。この大気の組成は、この惑星が海王星に似たガス惑星であり、居住可能ではないことを証明することもできる。

ヴィッカースの「予期せぬ代替説明」理論は、宇宙生物学者に、どの物質が明確で適切なバイオマーカーであるかについての見解を繰り返し修正することを強いてきた。上で述べた酸素とホスフィンには、どちらも不確実性があります。 2010年代まで、酸素は強力な生物シグネチャーガスであると考えられていたが、NASA宇宙生物学研究所のビクトリア・メドウズ氏を含む研究者らは、金星やエウロパに豊富に存在する二酸化硫黄の形成などを通じて、岩石惑星が生物圏なしで酸素を蓄積する方法を発見し始めた。

非生物的発生源をすべて排除できない限り、いわゆる「バイオシグネチャー」ガスが 1 つ見つかったとしても、それが生命の兆候であるとは言えません。

複合ガスは確実性を高める

実際、宇宙生物学者は、単一のガスだけをバイオマーカーとして使用するという考えをほぼ諦めています。代わりに、彼らは「アンサンブル」、つまり生命が存在しない場合には共存できないガスのグループを特定することに焦点を当て、バイオマーカーの確実性を高め、生命の兆候との関連性を強化しています。

今日、バイオマーカーのゴールドスタンダードと呼べるものがあるとすれば、それは酸素とメタンガスの組み合わせです。酸素が豊富な大気中では、メタンは急速に分解します。地球上では、生物圏が継続的に酸素とメタンを供給しているため、これら 2 つのガスが共存できます。

これまでのところ、科学者たちは酸素-メタンバイオマーカーの非生物的説明を見つけていない。しかし、ヴィッカース、スミス、マティスは、このガスのペア（あるいは他のガス混合物）が完全に説得力のある結論をもたらすかどうかについては、慎重ながらも懐疑的な見方を保っている。「我々が見ているものが生物活動の産物であり、どこか未知の惑星での非生物的化学反応の結果ではないと100％確信する方法はない」とスミス氏は語った。

マティス氏はリモートセンシング観測の限界を指摘し、「JWSTは生命探知機ではない。望遠鏡だ。惑星の大気中にどんなガスが存在するかしか分からない」と述べた。

しかし、ヨーク大学の宇宙生物学者サラ・ルグハイマー氏はもっと楽観的で、酸素やメタンなどの複合バイオマーカーに対する非生物学的な代替説明を積極的に調査している。それでも彼女はこう言った。「太陽系外惑星で酸素、メタン、水、二酸化炭素が一度に見られたら、シャンパンを飲むほどでしょう。」

NASA のウェッブ望遠鏡によって得られた K2-18 b の大気成分の分子スペクトルには、二酸化炭素、メタン、ジメチルスルフィドが含まれています。そこで疑問となるのが、このようなガスの組み合わせを、地球上の生命の存在を判断するための複合バイオマーカーとして使用できるかどうかです。出典: NASA

学界が統一基準を確立？

現在のバイオマーカーには大きな不確実性があるため、学術界のさまざまな専門家による特定の検査結果に対するさまざまな意見や解釈は、さまざまな世論をかき立て、科学に対する国民の信頼を損なう可能性もあります。金星の生命現象が2021年に最高潮に近づく中、NASAの管理者と科学者は宇宙生物学コミュニティに対し、バイオマーカーを特定するための基準を確立するよう呼びかけている。

2022年には、何百人もの宇宙生物学者がオンラインワークショップを開催し、この問題について議論し、バイオマーカー評価のための共通の枠組みを開発しました[13]。このフレームワークは、宇宙生物学の分野内のさまざまな専門分野と一般の人々の間のコミュニケーションを促進するために設計された 5 つの質問で構成されています。

実際の信号を検出しましたか?

信号を完全に確認しましたか?

検査結果には生物学的な起源がありますか?

このような環境で生命がそのような信号を表現することは可能でしょうか?

生物学的（または非生物的）な説明を裏付ける独立した証拠はありますか?

それにもかかわらず、学術界ではバイオマーカーに関する公式の基準や定義さえまだ存在しません。

しかしヴィッカース氏は、不確実性があるにもかかわらず、研究は継続されるべきだと考えている。宇宙生物学のような新興分野では、行き詰まり、戻って最初からやり直さなければならないことも珍しくありません。さまざまなバイオマーカーを大胆に提案することで、科学者はさまざまな偽陽性の結果の可能性を排除するために、予期しない非生物学的説明を積極的に検証し、探すよう動機づけられる可能性があります。

金星生命事件をめぐる騒動の後、学界の専門家たちは落ち着きを取り戻し、次の研究の方向性について考え始めている。

米国のバード大学の天体化学者クララ・ソウザ・シルバ氏はホスフィンの専門家であり、金星の大気の研究にも参加している。彼女にとって、今は私たちの友好的な隣人である金星について考え直す時期です。バイオマーカーをめぐる大きな論争により、科学者たちは新たな研究プロジェクトを立ち上げ、ホスフィンの非生物的発生源を発見して排除するだけでなく、将来太陽系外惑星における生命の兆候を正確に探査するためのより強力な評価基準を提供することにも貢献している。

参考文献

[1] https://www.nature.com/articles/s41550-020-1174-4

[2]https://piyao..cn/h5/rumordetail?id=qpjX

[3]https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2021689118

[4] https://www.cas.cn/kj/202011/t20201119_4767449.shtml

[5] https://www.nature.com/articles/s41550-021-01422-z

[6]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%94%9F%E5%91%BD%E5%8D%B0%E8%BF%B9

[7]https://www.zhihu.com/question/421069854/answer/1477780574

[8]https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2017.1737

[9]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bies.202300050?af=R

[10]https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2022.0084

[11] https://www.quantamagazine.org/doubts-grow-about-the-biosignature-approach-to-alien-hunting-20240319/