2021 Fiscal Year Annual Research Report
Experimental Studies on Roles of Solar Energetic Particles in the Generation of Life on the Primitive Earth
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20H02014
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
小林 憲正 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 名誉教授 (20183808)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三田 肇 福岡工業大学, 工学部, 教授 (00282301)
癸生川 陽子 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (70725374)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 太陽エネルギー粒子 / 銀河宇宙線 / 生命の起源 / 一酸化炭素 / 有機炭素 / アミノ酸 / 陽子線照射 / 紫外線照射 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年，太陽に似た恒星が巨大フレアを起こすことが観測され，若い太陽が高エネルギーかつ高フラックスの太陽エネルギー粒子(SEPs)を放出した可能性が示唆されており，これが生命誕生に寄与した可能性が理論的に示唆されている。本研究においては， SEPsが(1)地球のハビタビリティに与えた影響，(2) 原始大気からの有機物生成を促進した可能性，(3) アミノ酸のホモキラリティー生成との関連を中心に模擬実験を行っている。(1)では，窒素，水を含む混合気体から強力な温室効果を有する一酸化二窒素が生成することを陽子線照射実験により確認した。(2)では初期地球大気は二酸化炭素・窒素を主とするが，若干の一酸化炭素を含む可能性が高いことが示唆されているため，二酸化炭素・一酸化炭素・窒素（モル比9:1:10または10:0:10））および水蒸気を含む混合気体への陽子線照射（東工大・タンデム加速器使用）と紫外線照射（キセノンランプ）を行った。一酸化炭素を含まない場合は，陽子線・紫外線ともに有機物が生成したが，アミノ酸はほとんど生成しなかった。陽子線照射の場合，気相中に一酸化炭素の生成が確認された。一酸化炭素を含む場合は多種類のアミノ酸生成が確認された。この場合のアミノ酸のエネルギー収率，および初期地球においてSEPsエネルギーが銀河宇宙線エネルギーよりも数桁上回るという推定を用いると，SEPsにより隕石などにより地球に運ばれた量を上回るアミノ酸が生成したことが示唆された。(3)ではSEPsにより大気中で生じるスピン偏極ミュオンによるアミノ酸のエナンチオ過剰生成について理論的，実験的な検討を続けている。以上の結果より，SEPsが地球上での生命の誕生において極めて重要な働きを行ったことが示唆された。SEPsは極地などの地球極限環境や惑星間における有機物の安定性を考える上でも重要である。
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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
１．初期太陽が現在よりも暗く，その場合，地球表層の水が凍り付き，生命誕生が不可能であった可能性が指摘されている（暗い太陽のパラドックス）。SEPsの効果を模擬した陽子線照射実験により，強力な温室効果ガスである一酸化二窒素の生成が実験的に確認された。また，二酸化炭素から一酸化炭素の生成も確認できた。
２．生命の誕生に必要とされるアミノ酸などの含窒素有機物の生成に関しては，原始地球大気が非還元型もしくは弱還元型の場合は地球での生成が不可能もしくは限定的とされ，地球外有機物の持ち込みが重要とされてきた。今回，模擬原始大気（二酸化炭素・窒素に微量の一酸化炭素を含む混合気体）への陽子線照射を行うことにより，アミノ酸の生成が確認され，SEPsにより初期地球大気から十分な量の（地球外からの供給量を超える）アミノ酸の生成が可能であることが示唆された。
３．生命の誕生に必要なアミノ酸はラセミ体ではなく，L体かD体の一方であることが必要とされ，地球ではL体のアミノ酸が使われている。その起源として，星間で生じたアミノ酸が円偏光紫外線によりアミノ酸のエナンチオ過剰(ee)が生じ，それが隕石などにより地球に運ばれた可能性が議論されており，地球上でのeeの生成は説明が難しかった。SEPsが大気分子と衝突した時に生じるミュオンは，パリティ非保存則から一方のスピンのものに限定されるため，これがアミノ酸のeeを生む可能性を実験および理論により検討を進めている。令和３年度はミュオン照射実験のマシンタイムが取れなかったが，次年度以降，実験の進展が期待できる。
４．SEPsを模擬した陽子線や重粒子線をアミノ酸などの有機物や微生物に照射した。惑星間環境や極地などの地球極限環境，月面などでの有機物の安定性，微生物の生存可能性を考える上でSEPsも考慮すべきファクターであることが示唆された。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．原始大気中でSEPsの働きで一酸化二窒素の生成が示されたが，その生成量および生成した一酸化二窒素が有機物（アミノ酸など）の生成に及ぼす影響について検討する。内標準ガスや安定同位体ガスを用いるGC/MSによる分析システムの改良を行う予定である。
２．鉄(II)の作用により，非還元型大気から陽子線照射でアミノ酸（前駆体）が生成する可能性が示された。この再現性を調べ，その効果を定量的に評価する。特に，二酸化炭素から一酸化炭素への還元を調べるが，GC/MSでの分析では窒素と一酸化炭素の質量電荷比(m/z)が等しく区別が難しいため，安定同位体の利用を試みる。また，紫外線により二酸化炭素の解離が起きるが，これとSEPsの効果とのシナジーによるアミノ酸生成の可能性についても調べる。
３．模擬原始大気実験生成物中のアミノ酸以外の分析も行う。対象となるのは，核酸塩基，糖，カルボン酸などで，それぞれの全有機炭素に占める割合が出発材料によりどう変わるか，また他のエネルギー源（紫外線・火花放電など）ではどうなるかを調べる。また，SEPsにより模擬初期地球大気から生じたアミノ酸前駆体がどのような分子であるかのキャラクタリゼーションを行う。ゲルろ過HPLC法，限外ろ過法，LC/オービトラップMS法などによる分子量の推定や，FT-IR法や熱分解GC/MS法などによる構造推定を行う。
４．SEPsにより生じたミュオンによりアミノ酸のエナンチオ過剰が引き起こされる可能性をさらに検証するため，J-PARCでの再実験を行う（マシンタイム申請中）。
５．地球極限環境（極地・砂漠）や地球外環境（月・火星）での有機物安定性におけるSEPsの影響についてこれまでの実験結果をもとにさらに考察を進める。
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[Presentation] たんぽぽおよびポストたんぽぽ2計画での有機物の捕集と曝露実験2022
Author(s)
三田肇，矢野創，左近樹，小林憲正, 癸生川陽子, 横谷香織，中川和道, 杉本学, Tetyana Milojevic, 山岸明彦, 横堀伸一,別所義隆，加藤浩，安倍智子, 遠藤いずみ, 木村駿太，オン碧, 大森正之, 藤田知道, 鈴木利貞,浅野眞希, 奥平恭子, 今井栄一, 浜瀬健司, 古庄仰, 中山美紀, 中島香織，白水まどか
Organizer
2021年度ISAS宇宙生命探査シンポジウム
Invited
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[Presentation] 太陽系小天体の表面過程の理解のための有機物の宇宙曝露実験2021
Author(s)
癸生川陽子,古賀優志,松岡萌,左近樹,小林憲正,伊藤元雄,山下翔平,武市泰男,高橋嘉夫,三田肇,矢野創
Organizer
日本地球化学会第65回年会
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[Book] 地球外生命2021
Author(s)
小林 憲正
Total Pages
296
Publisher
中央公論新社
ISBN
978-4121026767
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