宇宙は複雑な有機分子で満ち溢れている

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

10年前、欧州宇宙機関（ESA）の探査機ロゼッタは、山ほどの大きさの塵と氷に覆われた塊のそばに着陸しました。探査機は2年間にわたり、その標的であるチュリュモフ・ゲラシメンコ彗星（67P）を追跡し、搭載された観測機器が彗星から噴出する塵とガスを捉え、分析しました。科学者たちは、太陽系の誕生の過程、そして特にある種の分子の起源に関する手がかりを探していました。

有機分子（炭素を含む化合物）は地球上に豊富に存在し、特に生物の体内に多く存在します。有機分子はしばしば生命の構成要素と呼ばれますが、それには十分な理由があります。炭素原子は他の4つの原子と化学的に結合し、複雑な生体分子の「炭素骨格」として機能する長く安定した鎖を容易に形成できるからです。

ロゼッタミッションやその他のミッションは、宇宙にも有機分子がいかに遍在するかを示しました。

「ロゼッタは見方を一変させました」と、探査機のデータを解析してきたベルン大学の化学者ノラ・ハンニ氏は述べた。ハンニ氏と同僚たちは、2022年に探査機のデータをわずか1日分処理しただけで、44種類の有機分子を発見した。中には20個以上の原子を含む非常に複雑なものもあった。ロゼッタは、タンパク質を構成するアミノ酸の一つであるグリシンの匂いを捉えた。さらに最近では、ハンニ氏はロゼッタのデータを用いてジメチルスルフィドを特定した。これは地球上では生物によってのみ生成されることが知られているガスである。

ロゼッタが彗星に対して行ったのと同じことを、日本のはやぶさ2とNASAのオシリス・レックスが小惑星に対して行っています。2020年と2023年に、この2つのミッションはそれぞれ小惑星ベンヌとリュウグウからサンプルを採取し、地球に持ち帰りました。科学者たちはそれ以来、サンプルの分析を続け、どちらの小惑星にも豊富な有機分子が含まれていることを発見しました。リュウグウだけでも、15種類のアミノ酸を含む少なくとも2万種類の有機分子が含まれています。

「生命が誕生する可能性のあるものすべてだ」とミュンヘン工科大学の有機地質学者フィリップ・シュミット・コップリン氏は言う。

単純な化学反応がどのようにして複雑な生物を生み出したのかは、科学における未解明の大きな謎の一つです。近年の小惑星や彗星の物質に関する研究は、生物の組み立て過程の最初の段階が宇宙で起こり、しかも非常に容易に起こるという証拠をさらに深めています。私たちが見渡す限り、宇宙は生物の原材料で溢れているように見えます。土星の衛星タイタンには、炭化水素の砂丘と同様に、有機分子でできた液体のメタンとエタンの湖があります。冥王星の赤みがかった色合いは、おそらくソリンと呼ばれる有機分子によるものでしょう。隕石の中には、まさに地球外有機物の動物園が存在します。有機塵は星々の間を漂い、土星の環から降り注ぎます。

科学者たちは長い間、これらの分子がどこから来たのか疑問に思ってきました。タイタンの炭化水素湖に漂う化合物は、そこで形成されたのでしょうか？それとも、氷の衛星が存在するずっと前から存在していたのでしょうか？生物進化なしに、有機体の複雑さはどのように発展したのでしょうか？

「生命の探査に関心を持つ私たちは、生命が存在しない惑星がどのようにして有機物を獲得できるのかを理解する必要があります」と、サウスウエスト研究所の惑星科学者クリストファー・グレインは述べた。「私たちはこのことについて多くの時間を費やして考えています。」

「惑星種としての私たち人類がどこから来たのかを知りたいのです」と、ハーバード大学の宇宙化学者、カリン・オーバーグ氏は述べた。「これは、生命が居住可能な惑星としての地球がどこから来たのかという、大きな起源の疑問の一つに最も近いものです。なぜ今のような姿になったのでしょうか？」

科学者たちは、探査機を送り込んで原始彗星や小惑星を採取し、望遠鏡で惑星形成円盤を観測し、実験室やコンピュータモデルで宇宙のような環境を再現することで、複雑な有機分子の起源を解明しようとしています。彼らの発見は、私たちの惑星のような惑星が、太陽系以前の時代から多くの有機物質を受け継いでいる可能性が高いことを示唆しています。

火と氷

昨年、研究者たちは宇宙における有機化学の最も初期の発生を垣間見ました。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、ビッグバンからわずか15億年後に誕生した若い銀河を観測し、多環芳香族炭化水素（ハチの巣のような形をした重たい分子）を検出しました。地球上では、化石燃料から木の煙まで、タールを含むあらゆるものに含まれています。宇宙では、小惑星（隕石として地球に落下するものも含む）や星間塵の成分として存在します。

これらの有機分子やその他の分子は、おそらく最古の恒星の薄明期、つまりビッグバンから数億年後に形成されたと考えられます。死にゆく恒星は高温の恒星風を吐き出します。この恒星風に巻き込まれた炭素は基本的に燃え尽き、恒星の煤（すす）を生成します。「これは、地球上で私たちが理解している燃焼とそれほど変わりません」とオーバーグ氏は言います。彼女は、「死にゆく恒星を取り巻く高温でガスに富んだ環境では、炭素原子を結合させてかなり大きな分子を作るのは非常に簡単です」と説明しました。

もう一つの主要な形成経路があります。何世代にもわたる星々が誕生し、死に、そしてその内部を宇宙に放出していく中で、その炭素の一部は分子雲へと流れ込んできました。分子雲とは、ガスと塵の粒が光を遮るほど密集した宇宙空間の塊です。ここでは、微細な塵粒子の氷の殻の中で有機分子が形成されます。「冷たく暗い雲の中では、大した変化がなくても複雑な構造を作り上げることができます」と、ハーバード大学の天文学者アリス・ブースは述べています。

氷粒は非常に冷たいため、漂流する原子がそこに付着することがあります。科学者たちは2020年、最も単純な有機分子の一つであるメタンが、炭素と水素が氷粒に次々と付着することでこのように形成されることを実験的に確認しました。メタノールも同様の方法で形成されると考えられています。また、2022年の研究では、一酸化炭素、炭素、アンモニアが氷粒の表面で凝縮することで、最も単純なアミノ酸であるグリシンの鎖を形成することさえ可能であることが示されました。

これらの化学反応は放射線によって促進されます。NASAゴダード宇宙飛行センター天体化学研究所のペリー・ゲラキネス氏は、「宇宙線粒子と紫外線は、氷を加熱して反応を引き起こすだけでなく、分子を分解して反応性の高いラジカルを生成します」と述べています。メタノールを出発原料として、このような放射線駆動型化学反応は、非常に多様な分子を生み出すことができます。「基本的に、通常の有機化学研究室で見られるものはすべてです」とオーバーグ氏は言います。現在までに、科学者たちは星間空間で200種類以上の有機分子を検出しています。

ブース氏によると、結局のところ、太陽が誕生する何十億年も前でさえ、「かなり複雑な分子を形成することができた」という。「私たちが本当に知らないのは、初期の時代の複雑さが、後の時代にどう反映されるかということです」

ダイナミックディスク

重要な疑問は、これらの分子が太陽系の誕生を生き延びることができるかどうかです。新しい恒星や惑星は、ガスと塵の雲の重力崩壊によって形成されます。これらの雲に含まれる原始的な有機分子は、新しい太陽系の初期段階で失われ、若い恒星が燃え上がる際に爆発して破壊されてしまうのでしょうか？

科学者たちはつい最近、原始惑星円盤（生まれたばかりの恒星の周りを回転するガスと塵のフリスビー）内の有機分子を初めて観測した。「すべての円盤は金鉱です」とオーバーグ氏は述べた。ある観測で、ブース氏と同僚たちは近くの惑星形成円盤内に豊富なメタノールを発見した。このメタノールは、一酸化炭素を多く含む氷の粒子上でしか形成できなかった。この氷は、原始惑星円盤の起源となった冷たい分子雲を満たしていたが、その後、温かい円盤の中で蒸発したと考えられる。したがって、ブース氏は、メタノールは新しい恒星とその惑星よりも古い分子雲から来たに違いないと述べた。

しかし、化学的な組み立てプロセスは雲の中で終わるわけではないだろう。ブース氏によると、「惑星形成の過程で（化学的な）複雑さが高まっていることを示す、非常に興味深い結果が得られた」という。

物質が円盤内を移動するにつれ、劇的に変化する環境にさらされます。円盤の表面は熱と放射線にさらされる一方、中心面は遮蔽され、より低温です。地球上の湿潤と乾燥のサイクルが生命の起源における有機体の複雑さを促したように、円盤の様々な部分を通る塵とガスの流れが、新たな種類の有機体の複雑さを促している可能性があります。

研究者たちは円盤物質の攪拌と回転を計算モデル化したいと考えてきたが、計算コストがあまりにも高いため、「どうしても必要になるまでは、そうした研究を避けてきた」とオーバーグ氏は述べた。しかし、今、状況は変わりつつある。2024年、ブース氏を含む科学者チームは、原始惑星系円盤で複雑な有機物が急速に形成されることを示すコンピュータモデルの初期結果を発表した。特に、これらの分子は、惑星の構成要素である小惑星サイズの微惑星が合体するのと同じ「ダストトラップ」で集合する。この結果は、有機物と惑星の形成の間に興味深い関連性を示している。

私たちの太陽系において、彗星は最も原始的な物質、つまり原始惑星系円盤の残骸の一つです。「彗星は、星間物質で何が起こったのかを遡る上で、私たちができる最良の方法だと思います」とハンニ氏は述べました。ロゼッタがこれまでに彗星67Pで検出した小さな有機分子の量は、科学者が星間空間の分子雲から受け継いだ物質として予想するものとほぼ一致しています。しかし、67Pの有機分子の中には、科学者の予想よりも複雑なものもあり、その複雑さがどこから来たのかは依然として未解明です。

小惑星は彗星ほど純粋ではなく、加熱や液体の水の影響を受けていることが多い。しかし、これらの影響により、劇的に新しい有機的な複雑さが生まれることがある。科学者たちは何十年もの間、小惑星を起源とするコンドライトと呼ばれる隕石に驚くほど多様な有機分子が含まれていることを知っていた。1969年にオーストラリアに落下したマーチソン隕石には、96種類を超えるアミノ酸が含まれていた。生命が使用するのは約20種類に過ぎない。オシリス・レックスとはやぶさ2は、小惑星ベンヌとリュウグウがこれらの隕石と同じくらい複雑であることを確認した。そして、この複雑さの少なくとも一部は、小惑星自体より前に発生したようだ。ベンヌのサンプルの予備分析は、原始惑星系円盤からの多環芳香族炭化水素などの有機物質を保持していることを示唆している。

生命の化学？

初期地球上の有機分子は、複雑さにおいて新たな、そして驚くべき段階を踏んだ。それらは何らかの形で自ら組織化し、生命体へと変化した。地球上の生命の起源に関するいくつかの仮説は、宇宙からの有機物質のスターターキットに基づくものだとしている。例えば「PAH世界」仮説は、多環芳香族炭化水素が支配的な原始スープの段階を想定している。このスラリーから、最初の遺伝子分子が出現した。

一般的に、宇宙で複雑な有機物がどのように形成され、惑星に到達するかを理解することで、他の惑星でも生命が誕生したかどうかをより深く理解できるかもしれません。地球上の生命の原材料が星間物質で形成されたのであれば、生命の材料は宇宙のあらゆる場所に存在するはずです。

今のところ、こうした考えはほとんど検証されていない。しかし、生命そのものが新たなレベルの有機的複雑さを呈しているため、宇宙生物学者は太陽系の他の惑星における生命の痕跡、あるいは生命の兆候となる可能性のある複雑な有機物を探している。

欧州宇宙機関（ESA）の「ジュース」ミッションは、木星とその3つの氷衛星の探査に向けて既に出発しており、NASAの「エウロパ・クリッパー」ミッションは、10月にこれらの衛星の一つであるエウロパに向けて打ち上げられました。両ミッションとも、搭載された機器を用いて大気中の有機分子を探査する予定です。これは、将来土星の衛星タイタンに打ち上げられる「ドラゴンフライ」ミッションも同様です。

しかし、特定の有機分子が生命の痕跡であるかどうかを判断するのは容易ではありません。科学者が十分に複雑な有機分子集合体を発見すれば、少なくとも一部の研究者は、別の惑星に生命が存在すると確信するでしょう。しかし、彗星や小惑星が示すように、無生物の世界もそれ自体が複雑です。ハンニのチームが最近67Pで特定したジメチルスルフィドのように、生命の痕跡と考えられる化合物は、生命のない岩石からも発見されています。

ハンニ氏は、彗星の非生物的複雑さを利用して、偽陽性の生命シグネチャーを排除し、将来の生命探査に役立てたいと考えている。「太陽系外惑星の大気を観察したいのか、それとも太陽系内で生命を探したいのかは関係ありません。彗星は本当に素晴らしいベンチマークになると思います」と彼女は語った。

生命は別として、宇宙の有機化学に関するこれらの研究は、私たちが直接観察することは決してないかもしれないプロセスへの窓を開くものでもあります。

グライン氏とその同僚は、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による太陽系外縁部のメタン観測結果を用いて、氷に覆われたカイパーベルト天体の一部が温暖で湿潤な内部構造を持つ可能性を示唆する証拠を提示した。エウロパの有機分子は、エウロパの地下海の化学組成を明らかにする可能性がある。また、シュミット＝コップリン氏は、隕石の有機物集合体を用いて、太陽系誕生時の衝突衝撃と地球化学プロセスを研究している。生命は、有機分子に記録された壮大な宇宙ドラマの一幕に過ぎない。

「有機化学は、宇宙におけるごく普通の化学現象です」とシュミット＝コップリン氏は言う。「鉱物の世界と有機物の世界は常に共進化しているのです。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得 て転載されました。