| Project/Area Number |
22H00175
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
三村 耕一 名古屋大学, 環境学研究科, 教授 (80262848)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
篠崎 彩子 北海道大学, 理学研究院, 助教 (80570506)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥43,420,000 (Direct Cost: ¥33,400,000、Indirect Cost: ¥10,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Fiscal Year 2022: ¥25,870,000 (Direct Cost: ¥19,900,000、Indirect Cost: ¥5,970,000)
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| Keywords | 生命の起源 / 有機物 / 高圧反応 / 化学進化 / 高圧実験 / 隕石有機物 / アラニン / 沈み込み帯 / 高温高圧 / 生命の発生 / 生命誕生 / 沈み込み帯浅部 / 高温高圧反応 |
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| Outline of Research at the Start |
地球生命はどこで誕生したのだろうか？本研究では、「生命誕生の場」として「沈み込み帯浅部」を提案し、その妥当性と重要性を評価する。初期地球の沈み込み帯浅部は、”隕石などの地球外物質によって地球に供給された有機物を集積し、それら有機物を高温高圧環境で反応させ、生成した有機物を細胞状の小胞へと化学進化させるシステム”を持つと考えている。本研究では、このシステム中で特に重要な高温高圧での有機物反応を実験的に確認し、このシステムが「生命誕生の場」として成立するか否かを検証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
沈み込み帯の深さ20 km以浅の領域（沈み込み帯浅部）は、地球内部へ押し込められる物質と地表に上昇する物質の行き交う特異な場所である。本研究では、この沈み込み帯浅部を「生命誕生の場」の候補地として注目した。初期地球には現在よりも高い頻度で隕石が落下しており、海洋底には隕石起源の堆積物が堆積していたと考えられる。この堆積物が沈み込み帯浅部に供給されたと仮定し、炭素質隕石に存在するアラニンと蛇紋岩粉末を含む出発物質を圧力0.25 GPa、温度50、75、125、160、180、200、220℃で反応させた。
まず、反応時間を4時間に固定し、温度を変化させて実験を行った。実験の結果、温度が高くなるに従い、反応を免れたアラニン量（アラニン残存量）が減少し、ジアラニンと環状アラニンがほぼ同じ割合で生成した。本研究の水を含む系（含水系）は水を含まない系（無水系）に比べ、同じ温度でより多くのアラニン残存量を示した。これは、水の存在がアラニンの反応を阻害することを示している。また、含水系は無水系に比べ、ジアラニンと環状アラニンの両方を含むアラニン重合体の収率が低下した。さらに、環状アラニンの方がジアラニンに比べて、収率が顕著に減少した。これらは、水がアラニンの重合反応を阻害することを示しており、重合反応が脱水反応であることを考慮すると妥当な結果である。
次に、50、75℃の温度条件で反応時間を8、24、96時間として実験を行い、ジアラニンの収率が時間とともに増加することを確認した。これは、本実験で設定した時間では反応が定常状態になっていないことを示している。今回の実験結果を地球化学分野に適用するためには、より長い反応時間の実験を行い、アラニンの分解とジアラニンの生成に関する反応速度論的な考察が必要である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2023年度での研究計画は、1. 多様な温度圧力条件におけるアミノ酸の挙動解明、2. アミノ単量体の分解速度とアミノ酸重合体の生成速度を推定し、沈み込み帯浅部で化学進化が進行する可能性を検討であった。
2023年度では、いくつかの温度条件でアラニンの高圧実験を行い、各温度におけるアラニン分解の挙動とジアラニンの生成率とその単量体の分解率の相関を調べた。さらに、比較的低温での高圧反応により、ジアラニン収率の時間変化を明らかにした。これらの実験結果に関する反応速度論の議論はできていないものの、これまで明らかになっていない事実が得られた。2023年度で行った研究内容は当初の研究計画に沿ったものであり、研究の進捗状況はほぼ順調である。また、2023年度の研究結果は2024年度以降の研究推進に大きく役立つ。
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| Strategy for Future Research Activity |
初期地球の沈み込み帯浅部を想定した高温高圧実験において、重合反応における圧力、共存鉱物、反応時間の重要性を検討する。昨年度の研究では、蛇紋岩粉末とアラニン水溶液を混合させた試料に圧力をかけることにより、アラニン２分子が重合したアラニルアラニンの生成が確認された。また、反応時間を長くすると、重合体の収率が増すことも明らかになった。しかし、この重合反応の進行が、蛇紋岩粉末の触媒作用によるのか、それとも、圧力により誘発されたのかが不確かである。また、反応時間を長くした際の重合体収率の挙動も不明である。
本年度の研究では、使用する圧力、鉱物、反応時間を変化させることで、重合体収率の変化を調べる。設定圧力としては、昨年使用した0.25 GPaに加え、沈み込み帯でより浅部（深さ5km）を想定した0.15 GPaを使用する。この圧力の異なる実験で、重合反応に対する圧力の効果を調べる。重合反応は活性化体積の減少を伴う反応であり、圧力の低下は反応を促進する要因とならない。そのため、低い圧力条件では、重合体収率は低下すると予想される。
次に、鉱物の影響を知るため、触媒効果を持たないアルミナ(Al2O3)を蛇紋岩粉末の代わりに使用する。蛇紋岩の触媒作用に大きく影響しているのは、Mg とSiO2であると考えられる。アルミナにはこれらの化学組成を含まないため、蛇紋岩の代わりにアルミナを使用することによって、重合体収率は低下することが期待される。この実験により、蛇紋岩粉末の触媒効果の程度を見積もる。
最後に、反応時間については、昨年度の実験で採用した最長4日間を10日間、30日間に延長して重合反応収率の変化を知る。この長時間実験により、重合体収率が一定になり定常状態になることを期待している。この情報により、高圧かつ蛇紋岩存在下でのアラニンの重合体収率の最大値を求める。
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