研究室での創作

隕石中の鉄が生命の起源にどのように寄与したのか

一つ確かなことは、地球上の生命は地球の歴史の非常に初期に出現したということです。 最初の有機分子がどこでどのように形成されたのかという疑問に対する具体的な答えはほとんどありません。 一般的な理論の 1 つは、生命の繁殖地は深海の熱水噴出孔であったと仮定しています。 研究者たちは、地球上の生命の起源、隕石についての新たなもっともらしいシナリオを提案しています。 これらに含まれる鉄は、生命の最初の構成要素の形成において決定的な役割を果たした可能性があります。

カンポ・デル・シエロ鉄隕石の小さな破片。 ここで見られる滑らかな表面を生成するために隕石を部分的に溶かしたのと同じ強烈な熱により、鉄も蒸発して融解し、小さなナノメートルサイズの粒子が生成されたと考えられます。 これらの粒子は、初期の地球で生命の構成要素を生成するための触媒として機能した可能性があります。

© O・トラップ

マックス・プランク天文学研究所とミュンヘンのルートヴィヒ・マクシミリアン大学の研究者らは、隕石と火山灰を使った実験を用いて、初期地球の条件下で有機分子が形成された可能性がある新たな方法を示した。 ここで重要な役割を果たすのは、触媒として機能する隕石や火山灰からの鉄粒子です。 触媒は、その存在によって特定の化学反応が促進されますが、プロセスでは消費されない物質です。 その意味で、これらは、たとえば自転車を 1 台だけでなく複数台製造するために使用される製造ツールに似ています。

この場合、これらの鉄粒子が、炭化水素、アセトアルデヒド、ホルムアルデヒドなど、二酸化炭素に富む原始大気からの最初の有機分子の形成に寄与した可能性が考えられます。 これらの物質は、脂肪酸、核酸塩基（それ自体が DNA の構成要素）、糖、アミノ酸の構成要素となります。 これらの有機分子は、より複雑な生物の構成要素です。 彼らの形成は、地球に生命をもたらした一連の出来事の最初の初期段階でした。 最初の（真核生物の）細胞が形成されるまでに約 20 億年かかりました。

研究の重要なインスピレーションは、何よりも工業化学から来ました。 一酸化炭素と水素は金属触媒の助けを借りて炭化水素に変換できることが知られています。 この背後にあるプロセスはフィッシャー・トロプシュプロセスと呼ばれます。 ミュンヘンのルートヴィヒ・マクシミリアン大学教授であり、マックス・プランク天文学研究所のマックス・プランク研究員でもあるオリバー・トラップ氏は、この過程が二酸化炭素に富んだ大気を持った初期の地球でも起こっていたのではないかと疑問に思いました。カンポ・デル・シエロ鉄隕石の化学組成は、鉄、ニッケル、コバルト、少量のイリジウムから構成されており、これが完璧なフィッシャー・トロプシュ触媒であることにすぐに気づきました」とトラップ氏は説明する。 当然の次のステップは、フィッシャー・トロプシュの宇宙版をテストする実験でした。

マックス・プランク天文学研究所の職員であるドミトリー・セミメノフ氏は、火山灰を取り上げた。「オリバー氏が彼のアイデアについて私に話してくれたとき、私が最初に考えたのは、火山灰粒子の触媒特性も研究すべきだということでした。初期の地球は地質学的に活動的だったに違いありません。」 大気中や地球の最初の陸地には、細かい灰の粒子がたくさんあったはずです。

トラップの博士課程の学生であるソフィア・ピーターズは、博士課程の研究の一環として必要な実験を実施しました。 隕石や鉱物へのアクセス、およびそのような物質の分析の専門知識について、彼女はミュンヘン国立鉱物学研究所の隕石の専門家である鉱物学者のルパート・ホッホライトナーに連絡を取りました。 彼らの実験には、鉄隕石、鉄を含む石質隕石、またはエトナ山の火山灰からの鉄粒子が使用されました。 鉄粒子は、初期の地球に存在していたと考えられるさまざまな鉱物と混合されました。 触媒は通常、適切な基板上に小さな粒子として蓄積するため、これらの鉱物は支持構造として機能します。

粒子サイズが重要です。 火山の噴火によって生成される細かい灰粒子のサイズは、通常、数マイクロメートルです。 鉄を豊富に含む隕石が初期地球の大気圏に落下した場合、大気の摩擦によりマイクロメートルとナノメートルサイズの鉄粒子が削り取られる一方、鉄は激しい熱で蒸発し、後に周囲の空気中で再凝固する。

研究者らは、このさまざまな粒子サイズを 2 つの異なる方法で再現することを目指しました。 隕石材料を酸に溶解することにより、準備された材料からナノメートルサイズの粒子が生成されました。 そして研究者らは、隕石物質または火山灰のいずれかをボールミルに15分間入れることで、より大きなマイクロメートルサイズの粒子を機械的に生成した。 このようなボールミルは、材料と鋼球の両方が入ったドラムです。 ドラムは高速で (この場合は 1 秒間に 10 回以上) 回転し、鋼球が材料を粉砕します。

元の地球の大気には酸素が含まれていなかったため、研究チームは化学反応を実行して、混合物からほぼすべての酸素を除去しました。 次に科学者らは、主に二酸化炭素（CO2）と水素分子で満たされた圧力室に混合物を導入した。 現在とは異なり、当時の大気は主に CO2 と水蒸気で構成されており、地表には大気圧のほぼ 100 倍の圧力がかかっていました。 「初期地球の性質にはさまざまな可能性があるため、考えられるすべてのシナリオを実験的にテストしようとしました」とソフィア・ピーターズは言います。 「最終的に、50 種類の異なる触媒を使用し、圧力、温度、二酸化炭素と水素の分子の比率をさまざまな値で実験を実行しました。」

ここでシミュレートされた若い地球の条件下では、鉄粉のおかげで古代の大気が反応して、メタノール、エタノール、アセトアルデヒドやホルムアルデヒドなどの有機化合物が大量に生成されました。 特にアセトアルデヒドとホルムアルデヒドは、脂肪酸、核酸塩基、糖、アミノ酸といった生命の重要な構成要素の化合物です。 この結果は、そのような反応が実際に初期の地球で起こった可能性があることを強く示すものであり、現在はわかっていない当時の地球大気の正確な組成とはほとんど無関係である。

これらの結果により、生命の最初の構成要素が地球上でどのように形成されたのかについて、新たな候補が浮上しました。 海底の高温噴出孔近くでの有機合成や、メタンが豊富な大気中での放電（ユーリー・ミラー実験のような）などの「古典的な」メカニズムや、有機化合物がどのように形成されたかを予測するモデルの仲間入り宇宙の深部に存在し、小惑星や彗星によって地球に運ばれたもの（この MPIA プレスリリースを参照）には、現在では別の可能性があります。それは、隕石や細かい火山灰による初期の衝突の間に地球に降り注いだ鉄粒子です。 これらは、初期の二酸化炭素が豊富な大気中で触媒として機能し、地球上の生命の起源を告げた可能性が非常に高いです。

現実世界と同様、ゴールに至る道は 1 つだけではなく、複数ある可能性があります。 この新しいプロセスにより、幅広い可能性が可能になります。 原始大気と初期地球の物理的特性に関するさらなる研究により、さまざまなメカニズムのうちどれが現実的な条件下で生命の構成要素を最も多く生産するのかが明らかになる可能性が高いです。 触媒としての鉄の役割には特別な特徴があります。この元素の起源は、銀河の宇宙の台所である巨大な星の内部にあります。 これらの星は、一生の終わりに、大規模な超新星爆発によって内部で生成された元素で星間ガスを濃縮します。 その中には鉄も含まれており、地球上だけでなく生命活動が活発になる可能性のある潜在的な触媒です。

MP/TB