| Project Area | CO world |
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| Project/Area Number |
22H05151
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Institute of Science Tokyo |
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Principal Investigator |
上野 雄一郎 東京科学大学, 理学院, 教授 (90422542)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
青木 翔平 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 講師 (60773629)
山田 桂太 東京科学大学, 物質理工学院, 准教授 (70323780)
ジルベルト アレキシー 東京科学大学, 理学院, 准教授 (20726955)
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| Project Period (FY) |
2022-06-16 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2026)
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| Budget Amount *help |
¥242,840,000 (Direct Cost: ¥186,800,000、Indirect Cost: ¥56,040,000)
Fiscal Year 2026: ¥50,050,000 (Direct Cost: ¥38,500,000、Indirect Cost: ¥11,550,000)
Fiscal Year 2025: ¥49,400,000 (Direct Cost: ¥38,000,000、Indirect Cost: ¥11,400,000)
Fiscal Year 2024: ¥49,140,000 (Direct Cost: ¥37,800,000、Indirect Cost: ¥11,340,000)
Fiscal Year 2023: ¥48,100,000 (Direct Cost: ¥37,000,000、Indirect Cost: ¥11,100,000)
Fiscal Year 2022: ¥46,150,000 (Direct Cost: ¥35,500,000、Indirect Cost: ¥10,650,000)
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| Keywords | 同位体分子 / 初期地球 / 火星探査 / バイオマーカー |
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| Outline of Research at the Start |
環境班は、地球と火星の初期環境を復元し、COの果たした役割を解明するため、分子レベルの安定同位体計測法(同位体分子計測)を開発する。大気・生物・化学過程でそれぞれ生成する有機分子がもつ同位体分子組成の特徴を、実験と観測により明らかにし、生物・非生物過程によりCO から生成した有機分子を判別する指標(バイオマーカー)を構築する。また、これを用いて、初期地球アナログ環境の物質循環を解明する。大気CO の化学過程は火星大気の観測と室内での光化学実験により解明し、理論班との協働により、初期地球および火星大気COから供給される有機分子の種類とフラックスを推定し、かつ同位体分子を用いてこれを検証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
初期火星の堆積有機物がCOから形成されたことを炭素同位体を用いた解析により実証した(Ueno et al., 2024)。また、同位体分別を組み込んだ大気化学モデルにより、寒冷な火星初期大気でCOからホルムアルデヒドが形成、重合し、これが火星堆積物中に保存されることを明らかにした（Koyama et al., 2024）。
一方、CO、H2O、NH3のみから紫外線によって生成する有機分子の網羅的かつ系統的な実験及び分析を行なった結果、200種以上の分子（アルデヒド、有機酸、糖、糖酸、脂肪酸、アミノ酸、イミダゾール）が生成することが明らかになった。これらの多様な分子は気相中でラジカル反応により生成するホルムアルデヒド、グリオキサール、アセトアルデヒドの３種とアンモニアの有無をボトルネックとして進行することが分かった。これらの成果についてはGoldschmidt国際会議と「生命の起源および進化学会」で発表した。また、特にアミノ酸の自己触媒的増殖が進む環境因子を絞り込むための実験を行った結果、pHと特定金属硫化物の存否によってアミノ酸の生成量と選択性が左右されることが分かった。
安定同位体分子によるバイオマーカー構築については、特にPAHの13C多重置換度計測及び分子内同位体分布計測法について全く新しい方法論を構築し、国際シンポジウムにおいて発表した（Kim, Ueno and Gilbert, 2024)。また、生物班と共同で行なっている酢酸のバイオマーカー構築とその応用については、酢酸菌の培養実験と白馬地域蛇紋岩熱水系の酢酸分子内同位体分布計測が完了し、これについても国際シンポジウムで発表した(Sato, Ueno, Suzuki et al., 2024)。さらに、無機的に生成する有機酸の同位体分子的特徴を明らかにするための熱水実験を新たに実施した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
火星有機物の炭素同位体異常の原因を室内実験及び大気化学モデルによって解析し、それらの有機物が火星初期大気中のCOから形成されたものであることを示したことは大きな成果として挙げられる。
また、導入したOrbitrap分析計をフル活用し、太陽光紫外線によりCOとH2Oのみから生成する200種以上の分子を解析したことで、CO worldで生じる鍵分子生成の全体像が明らかになりつつある。これらの結果は前駆代謝反応ネットワークの前半部分についての理解が進んだことを意味しており、大きな進展と言える。生成した多様な分子の中に自己触媒系の成立に重要な機能を持つものが存在することが期待され、惑星環境で成立する前駆代謝系の構築とその実証に向けて着実に進んでいると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度までに開発したPAH、無機酸の新規同位体分子計測法を用いてバイオマーカー構築のため実験試料、天然試料の計測を行一方、フーリエ変換型高質量分解能質量分析計により有機酸、糖類、アミノ酸、複素環式窒素化合物の定性／定量分析を行い、以下の計画を実施する。
[生物班との共同研究] 引き続き天然極限環境試料（白馬蛇紋岩水系、マリアナ前弧海盆試料）と培養実験試料（CO資化酢酸生成菌、硫酸還元菌等）及び熱水実験試料の計測を行いバイオマーカー構築計画を進める。
[化学班との共同研究] これまでに検出した200種以上の有機酸、糖類、アミノ酸、複素環式化合物の構造決定と生成機構の解析を進め、さらに不斉増幅を含む自己触媒的増殖が進行する要素と環境条件を明らかにする。
[理論班との共同研究] 初期火星及び初期地球の大気環境で生じる有機分子のうち、昨年度までで明らかになったホルムアルデヒド以外のボトルネック化合物の生成機構をモデルに導入する。また、現在の火星大気COの同位体観測と、実験結果の比較を行うことで、大気COの化学過程とそのモデルの正しさを検証する。
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