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[U11-P08] 惑星大気および星間物質中のCOからの高分子量アミノ酸前駆体生成
キーワード：一酸化炭素、アミノ酸前駆体、惑星大気、星間物質、銀河宇宙線、太陽エネルギー粒子
これまで，CH4を含む「強還元型惑星大気」がアミノ酸などの生体有機物生成に適していると考えられてきた[1]。しかし近年，CH4ではなくCOが初期地球大気中の主要な還元型炭素化学種と考えられている[2]。われわれは，COを含む模擬初期地球大気からの有機物生成を種々のエネルギーで評価した。また，COは星間での主要な炭素化学種であることから，COを含む模擬星間物質からの有機物の生成についても検討した。
模擬初期地球大気としては， CO, N2, H2Oの混合大気，およびそれにCO2を加えたものを用いた。反応のエネルギーとしては，雷を模擬した火花放電（テスラコイル使用），太陽光を模擬した紫外線照射（キセノンランプ使用），宇宙線および太陽エネルギー粒子を模擬した陽子線照射を用いた。比較として，CH4や13CでラベルしたCOを用いた実験も行った。模擬星間物質としてはCO, NH3, H2Oの混合物を用い，宇宙線を模した陽子線照射を行った。気相生成物はGC/MSで，水に溶けた生成物は加水分解後にHPLCおよびGC/MSでアミノ酸分析を行い，加水分解前の生成物はゲルろ過法などによりキャラクタリゼーションを行った。
CO-N2 型混合気体からは放電によるアミノ酸の生成が極めて限定的であることが報告されている[3]。一方，陽子線照射においては，CO-N2 型混合気体からはCH4-N2型混合気体とほぼ同じエネルギー収率でアミノ酸が生成することがわかった[4,5]。CO2-CO-N2 型混合気体からもエネルギー収率は下がるものの，アミノ酸の生成が可能であった。CO2 (42%)-CO (8%)-N2(50%)混合気体と水を用いて室温で陽子線照射した場合のグリシンのエネルギー収率（G値）は0.005であり，40億年前の太陽エネルギー粒子のエネルギー流束推定値(3 x 1024 eV m-2 yr-1) [6]を用いると，1010 kg yr-1のグリシンが初期地球大気中で生成したことが期待できる。これは，当時の隕石や微隕石による地球外からのアミノ酸供給率(< 3 x 105 kg yr-1)[6]をはるかに上回る。
一方，分子雲中ではCO, NH3を含む星間塵アイスマントルに宇宙線などが作用し，複雑な有機物が生成すると考えられる[7]。CO, NH3, H2Oの混合氷 (10 K)への陽子線照射によりアミノ酸が生成することが確認された[8,9]。このことはCOが星間においてもアミノ酸を含む種々の複雑有機物生成において重要な炭素源であることを示す。
初期惑星大気中や星間において，COを含む混合物への宇宙線などの高エネルギー粒子照射によりアミノ酸前駆体を含む多様な有機物生成が可能であることがわかった。照射生成物のキャラクタリゼーションにより，高分子態の複雑有機物が生成することが確認された[10,11]。アミノ酸の生成機構としてはストレッカー合成が中心[12]とされることが多い。しかし，本実験の加水分解前の試料中のアミノニトリル類（ストレッカー合成の中間体）の生成量は限定的であり，むしろ，高分子態複雑有機物が主要なアミノ酸前駆体であることが示唆された。COからの高分子態複雑有機物の生成は生命誕生に至る化学進化を考える上で重要なステップと考えられる。
本研究の一部は日本学術振興会科学研究費(Nos. JP20H2014, JP23H01286, JP23K03561)の補助により行われた。
引用文献
[1] Miller, S. L. (1953) Science 117, 528-529.
[2] Catling, D. C. and Kasting, J. F. (2017) Atmospheric Evolution on Inhabited and Lifeless Worlds, Cambridge University Press.
[3] Schlesinger, G and Miller, S. L. (1983) J. Mol. Evol. 19, 376-382.
[4] Kobayashi, K. et al. (1990) Orig. Life Evol. Biosph. 20, 99-109.
[5] Kobayashi, K. et al. (1998) Orig. Life Evol. Biosph. 28, 155-165.
[6] Kobayashi, K. et al. (2023) Life 13, 1103.
[7] Greenberg, J. M. and Li, A. (1997) Adv. Space Res. 19, 981-990.
[8] Kobayashi, K. et al. (1995) Adv. Space Res. 16, 21-26.
[9] Kasamatsu, T. et al. (1997) Bull. Chem. Soc. Jpn. 70, 1021-1026.
[10] Kobayashi, K. et al. (1997) Adv. Space Res. 19, 1067-1076.
[11] Takano, Y. et al. (2004) Appl. Phys. Lett. 84, 1410-1412.
[12] Miller, S. L. (1957) Biochim. Biophys. Acta 23, 480-489.
模擬初期地球大気としては， CO, N2, H2Oの混合大気，およびそれにCO2を加えたものを用いた。反応のエネルギーとしては，雷を模擬した火花放電（テスラコイル使用），太陽光を模擬した紫外線照射（キセノンランプ使用），宇宙線および太陽エネルギー粒子を模擬した陽子線照射を用いた。比較として，CH4や13CでラベルしたCOを用いた実験も行った。模擬星間物質としてはCO, NH3, H2Oの混合物を用い，宇宙線を模した陽子線照射を行った。気相生成物はGC/MSで，水に溶けた生成物は加水分解後にHPLCおよびGC/MSでアミノ酸分析を行い，加水分解前の生成物はゲルろ過法などによりキャラクタリゼーションを行った。
CO-N2 型混合気体からは放電によるアミノ酸の生成が極めて限定的であることが報告されている[3]。一方，陽子線照射においては，CO-N2 型混合気体からはCH4-N2型混合気体とほぼ同じエネルギー収率でアミノ酸が生成することがわかった[4,5]。CO2-CO-N2 型混合気体からもエネルギー収率は下がるものの，アミノ酸の生成が可能であった。CO2 (42%)-CO (8%)-N2(50%)混合気体と水を用いて室温で陽子線照射した場合のグリシンのエネルギー収率（G値）は0.005であり，40億年前の太陽エネルギー粒子のエネルギー流束推定値(3 x 1024 eV m-2 yr-1) [6]を用いると，1010 kg yr-1のグリシンが初期地球大気中で生成したことが期待できる。これは，当時の隕石や微隕石による地球外からのアミノ酸供給率(< 3 x 105 kg yr-1)[6]をはるかに上回る。
一方，分子雲中ではCO, NH3を含む星間塵アイスマントルに宇宙線などが作用し，複雑な有機物が生成すると考えられる[7]。CO, NH3, H2Oの混合氷 (10 K)への陽子線照射によりアミノ酸が生成することが確認された[8,9]。このことはCOが星間においてもアミノ酸を含む種々の複雑有機物生成において重要な炭素源であることを示す。
初期惑星大気中や星間において，COを含む混合物への宇宙線などの高エネルギー粒子照射によりアミノ酸前駆体を含む多様な有機物生成が可能であることがわかった。照射生成物のキャラクタリゼーションにより，高分子態の複雑有機物が生成することが確認された[10,11]。アミノ酸の生成機構としてはストレッカー合成が中心[12]とされることが多い。しかし，本実験の加水分解前の試料中のアミノニトリル類（ストレッカー合成の中間体）の生成量は限定的であり，むしろ，高分子態複雑有機物が主要なアミノ酸前駆体であることが示唆された。COからの高分子態複雑有機物の生成は生命誕生に至る化学進化を考える上で重要なステップと考えられる。
本研究の一部は日本学術振興会科学研究費(Nos. JP20H2014, JP23H01286, JP23K03561)の補助により行われた。
引用文献
[1] Miller, S. L. (1953) Science 117, 528-529.
[2] Catling, D. C. and Kasting, J. F. (2017) Atmospheric Evolution on Inhabited and Lifeless Worlds, Cambridge University Press.
[3] Schlesinger, G and Miller, S. L. (1983) J. Mol. Evol. 19, 376-382.
[4] Kobayashi, K. et al. (1990) Orig. Life Evol. Biosph. 20, 99-109.
[5] Kobayashi, K. et al. (1998) Orig. Life Evol. Biosph. 28, 155-165.
[6] Kobayashi, K. et al. (2023) Life 13, 1103.
[7] Greenberg, J. M. and Li, A. (1997) Adv. Space Res. 19, 981-990.
[8] Kobayashi, K. et al. (1995) Adv. Space Res. 16, 21-26.
[9] Kasamatsu, T. et al. (1997) Bull. Chem. Soc. Jpn. 70, 1021-1026.
[10] Kobayashi, K. et al. (1997) Adv. Space Res. 19, 1067-1076.
[11] Takano, Y. et al. (2004) Appl. Phys. Lett. 84, 1410-1412.
[12] Miller, S. L. (1957) Biochim. Biophys. Acta 23, 480-489.