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Experimental Validation of "the Garakuta World" Hypothesis for Origins of Life

Research Project

Project/Area Number 19K21895
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
Research InstitutionYokohama National University

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)

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)
Project Period (FY) 2019-06-28 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Keywords生命の起源 / がらくたワールド / アミノ酸前駆体 / 触媒活性 / 宇宙線 / 紫外線 / 分子雲 / 太陽系小天体 / ホモキラリティー / 高分子態有機物 / 粒子線照射 / 触媒機能
Outline of Research at the Start

従来の古典的な化学進化説では,小分子から少しずつ大きな分子が生成し,その後,機能が創出したと想定されてきた。本研究では,単純な分子の混合物に高エネルギー付与と急冷により微弱な化学機能をもつ多様な分子(がらくた分子)が一挙に生成し,その進化・選択により微弱な生命機能を有する分子群が生成するというシナリオ,「がらくたワールド説」の実験的検証を行う。一酸化炭素・アンモニアなどの模擬星間物質や模擬原始大気に粒子線を照射した時に生じた高分子態複雑分子(がらくた分子)の機能を調べ,それが種々の宇宙地球環境下で変成を受けた場合の機能の進化を調べる。

Outline of Annual Research Achievements

従来の化学進化仮説においてはアミノ酸などの小分子が縮重合することにより生じた高分子の中に生化学的機能を有するものが生じ,そこから生命が誕生したとされてきた。本申請研究では,宇宙線などの高エネルギー現象によりまず高分子態有機物(がらくた分子)が生じ,これが有する微弱な生化学的機能が進化することにより生命が誕生したとする「がらくたワールド説」の検証を試みている。昨年度,一酸化炭素などの単純な分子から陽子線やガンマ線照射によりアミノ酸前駆体を含む高分子態有機物の生成が確認されたため,本年度は,分子雲を模擬した実験により生じる高分子態有機物の(1)宇宙における安定性の評価と(2)機能の測定を行った。(1)では一酸化炭素・アンモニア・水混合物に陽子線照射をして合成した「がらくた分子」(CAW;複雑態アミノ酸前駆体を含む)をグリシンやグリシン前駆体のヒダントインとともに国際宇宙ステーション曝露部上で3年間宇宙曝露したものの解析を行った。CAWは他の分子よりもはるかに強い紫外線吸収をもつにもかかわらず,紫外線吸収の少ないヒダントインよりも安定で,また,さらに紫外線吸収の少ないグリシンとほぼ同じ安定性を示した。 (2)では,酢酸p-ニトロフェニルを基質として吸光法によりエステラーゼ活性を調べたところ,CAWは全体として有機炭素1 g当たり4 マイクロmol/minの比活性がえられた。これは,エステラーゼ活性を有することが知られているイミダゾールの比活性の1/100である。しかし,CAW中には活性を持たない分子も多いため,より高い比活性をもつ画分が存在しているはずである。そこで,既存のHPLCにポストカラム反応系を装着し,混合物を分離しながら各成分の活性を測定できる装置を作製した。次年度,この装置を用いてより高機能な分子の存在を調べ,前生物的な機能性分子の生成の確認を行う予定である。

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.模擬分子雲環境で生成した高分子態有機物(アミノ酸前駆体を含む;CAW)の宇宙環境中での安定性を,実験室での模擬実験に加え,国際宇宙ステーション曝露部を用いた実際の宇宙環境において評価した。宇宙での安定性は,紫外線が照射される環境においては紫外線が最もクリティカルであるが,CAWはグリシンやヒダントインとった小分子と較べて,同等またはそれ以上に安定であることが確認された。紫外線が照射されない環境では熱や放射線が制限因子となるが,これらに対してはCAWはグリシンやヒダントインよりも安定であり,宇宙(および地球)環境でCAWのような高分子態有機物がロバストな分子であることが確認できた。以上の成果はAstrobiology誌に投稿した。
2.模擬実験で生成した有機物の機能として,触媒活性の評価を行った。吸光光度法によりエステラーゼ活性を測定することにより,CAWがエステラーゼ活性を有することが確認できた。CAWはさまざまな分子の混合物であるため,その中に比活性(単位有機炭素あたりの活性値)が強い分子が存在することが期待できる。その解明のため,既存のHPLC装置にポストカラム反応系を装着し,オンラインで活性の評価ができるようにした。
3.これまでの実験結果より,一酸化炭素,アンモニアなどの単純な分子から分子量数百~数千の複雑なアミノ酸前駆体が核酸塩基などと同時に生成しうることが確認できた。また,このような分子が宇宙環境でも比較的安定であること,また触媒活性を有する分子を含むことなでがわかった。遊離アミノ酸やペプチドといった,これまでの化学進化実験で想定されてきた分子と異なるタイプの高分子態分子の混合物(がらくたワールド)を出発とした化学進化の経路を考える必要性が強く示唆された。
4.コロナ禍で一部実験や成果発表が遅れた部分があり,研究期間の延長を行った。

Strategy for Future Research Activity

1.一酸化炭素・アンモニアなどの単純な分子から陽子線照射により合成した高分子態有機物の宇宙における安定性を地上実験および宇宙実験「たんぽぽ計画」で評価してきたが,さらにより短波長の太陽紫外線の効果を調べるための宇宙実験「たんぽぽ2」の宇宙曝露が昨年度終了し,地球に帰還した。次年度は,その解析を行い,無生物的に合成した高分子態有機物の宇宙での安定性の評価を継続する。なお,たんぽぽ2では,光学窓を用いずに宇宙曝露した試料も含まれている。さらにたんぽぽ後継ミッションでの曝露実験の継続や,炭素質コンドライトや宇宙塵中の有機物分析結果との比較も行う。
2.高分子態有機物(CAW)の触媒機能としては,吸光法によりエステラーゼ活性を測定したが,CAW中により高い触媒機能(比活性)を有する分子を探索するため,令和2年度に作製した,HPLCと結合した活性評価システムを用いた分析を行う。ここでは,より高感度な蛍光法(基質は二酢酸フルオレセイン)での活性測定を行う。また,他の活性(ペルオキシダーゼ活性など)の存在も調べる。
3.分子雲中で生成したがらくた分子プール(CAW)が,小天体中に取り込まれた後,その内部でどのように変化していくかを,オートクレーブなどを用いて検証する。小天体内部では,分子雲で生成した分子の変成と,小天体内部に存在するホルムアルデヒドなどの小分子からの合成が平行して起きるはずである。
4.以上の結果から,宇宙環境(分子雲中の星間塵,隕石母天体内)で生成した高分子態有機物(がらくた分子)の機能(触媒活性,光学活性など)が,供給先(原始海洋など)の環境下で「進化」しうるかを検討し,地球上での生命の誕生にいたる新規化学進化シナリオとして「がらくたワールド仮説」をまとめて,論文として発表するとともに社会へのアウトリーチも行う。

Report

(2 results)
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report

Research Products

(62 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (12 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 4 results) Presentation (49 results) (of which Int'l Joint Research: 15 results,  Invited: 7 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Effects of minerals on metamorphism of organic matter during thermal processes in meteorite parent bodies2021

    • Author(s)
      N. Hirakawa, Y. Kebukawa, K. Kobayashi, H. Nakano
    • Journal Title

      Icarus

      Volume: 358

    • DOI

      10.1016/j.icarus.2020.114167

    • NAID

      120007041922

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Aqueous Alteration Without Initial Water: Possibility of Organic-Induced Hydration of Anhydrous Silicates in Meteorite Parent Bodies2021

    • Author(s)
      N. Hirakawa, Y. Kebukawa, Y. Furukawa, M. Kondo, H. Nakano and K. Kobayashi
    • Journal Title

      Earth, Planets and Space

      Volume: 73 Pages: 16-16

    • DOI

      10.1186/s40623-020-01352-6

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 宇宙における生命兆候探査2021

    • Author(s)
      吉村義隆,塩谷圭吾,小林憲正,佐々木聰,山岸明彦
    • Journal Title

      分析化学

      Volume: 70

    • NAID

      130008068564

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Primordial organic matter in the xenolithic clast in the Zag H chondrite: Possible relation to D/P asteroids2020

    • Author(s)
      Kebukawa Yoko、Zolensky Michael E.、Ito Motoo、Ogawa Nanako O.、Takano Yoshinori、Ohkouchi Naohiko、Nakato Aiko、Suga Hiroki、Takeichi Yasuo、Takahashi Yoshio、Kobayashi Kensei
    • Journal Title

      Geochim. Cosmochim. Acta

      Volume: 271 Pages: 61-77

    • DOI

      10.1016/j.gca.2019.12.012

    • NAID

      120006796066

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] UZUME計画:月縦穴環境を用いる宇宙実験への期待2020

    • Author(s)
      小林憲正,横堀伸一,春山純一
    • Journal Title

      第63回宇宙科学技術連合講演会講演集

      Volume: JSASS-2019

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  • [Journal Article] 有機物・微生物の宇宙曝露と宇宙塵・微生物の捕集(たんぽぽ)3年目試料解析報告2020

    • Author(s)
      山岸明彦,橋本博文,矢野創,河口優子,横堀伸一,小林憲正,三田肇,藪田ひかる,東出真澄,田端誠,河合秀幸,今井栄一
    • Journal Title

      第63回宇宙科学技術連合講演会講演集

      Volume: JSASS-2019 Pages: 4482-4482

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      2020 Research-status Report
  • [Journal Article] Alteration and Stability of Complex Macromolecular Amino Acid Precursors in Hydrothermal Environments2020

    • Author(s)
      Walaa Elmasry, Yoko Kebukawa*, Takeo Kaneko, Yumiko Obayashi, Hitoshi Fukuda, Yoshiyuki Oguri, Kensei Kobayashi
    • Journal Title

      Orig. Life Evol. Biosph.

      Volume: in press Pages: 15-33

    • DOI

      10.1007/s11084-020-09593-x

    • NAID

      120006849910

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  • [Journal Article] Alteration and Stability of Complex Macromolecular Amino Acid Precursors in Hydrothermal Environments2020

    • Author(s)
      W. Elmasry, Y. Kebukawa, T. Kaneko, Y. Obayashi, H. Fukuda, Y. Oguri and K. Kobayashi
    • Journal Title

      Orig. Life Evol. Biosph

      Volume: 50

    • NAID

      120006849910

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  • [Journal Article] 液体クロマトグラフ/質量分析(LC/MS)による模擬星間有機物の分析2020

    • Author(s)
      三田肇
    • Journal Title

      低温科学

      Volume: 78 Pages: 277-286

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  • [Journal Article] 生命の起源を探るための有機化合物生成宇宙暴露実験2020

    • Author(s)
      三田肇、中山美紀、白水まどか、中川和道
    • Journal Title

      福岡工業大学総合研究機構研究所所報

      Volume: 2 Pages: 115-118

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    • Open Access
  • [Journal Article] 宇宙および地球上でのアミノ酸の起源2019

    • Author(s)
      小林憲正
    • Journal Title

      アミノ酸研究

      Volume: 12 Pages: 7-14

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      2019 Research-status Report
  • [Journal Article] Origin of Terrestrial Bioorganic Homochirality and Symmetry Breaking in the Universe2019

    • Author(s)
      J. Takahashi and K. Kobayashi
    • Journal Title

      Symmetry

      Volume: 11 Pages: 2019-2019

    • DOI

      10.3390/sym11070919

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] アストロバイオロジー研究における宇宙実験2021

    • Author(s)
      小林憲正
    • Organizer
      第35回宇宙環境利用科学シンポジウム
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    • Invited
  • [Presentation] たんぽぽ計画:全宇宙曝露試料の帰還と微生物試料解析の現状2021

    • Author(s)
      山岸明彦、橋本博文、矢野創、横堀伸一、河口優子、小林憲正、三田肇、 藪田ひかる、東出真澄、田端誠、河合秀幸、今井栄一、横谷香織、木村駿太、鳴海一成、 矢田部純、藤原大祐、加藤浩、オン 碧、鴇田未来
    • Organizer
      第35回宇宙環境利用科学シンポジウム
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  • [Presentation] ポストたんぽぽ計画における宇宙曝露実験2021

    • 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、山岸明彦、杉本学、Tetyana Milojevic、別所義隆、中山美紀、白水まどか、横尾卓哉、佐藤智仁、ポストたんぽぽ研究チーム
    • Organizer
      第35回宇宙環境利用科学シンポジウム
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] Ultracomplex Amino Acid Precursors Formed from Interstellar Media Analogs by High Energy Particles Irradiation,2021

    • Author(s)
      K. Kobayashi, S. Kuramoto, T. Sato, Y. Kebukawa, M. Nakayama, H. Mita, K. Kanda, H. Fukuda, Y. Oguri, S. Yoshida, H. Shibata
    • Organizer
      COSPAR 2021
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Space Exposure of Amino Acids and Amino Acid Precursors in the Tanpopo and the Tanpopo 2 Missions2021

    • Author(s)
      K. Kobayashi, H. Mita, Y. Kebukawa, I. Sakon, K. Nakagawa, T. Yokoo, T. Sato, K. Terasawa, M. Nakayama, J. Takahashi, H. Shibata, S. Yoshida, I. Yoda, H. Fukuda, Y. Oguri, K. Kanda, H. Hashimoto, S. Yokobori, A. Yamagishi and H. Yano
    • Organizer
      COSPAR 2021
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Abiotic Synthesis of Organic Matter in Aqueous Environments Simulating Parent Bodies of Meteorites and the Effects of Minerals on the Production of Amino Acids2021

    • Author(s)
      W. Elmasry, Y. Kebukawa, T. Shibuya, K. Kobayashi
    • Organizer
      52nd Lunar and Planetary Science Conference
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] たんぽぽ2~ダストから生命へ:2019-2020年の宇宙曝露運用と地球帰還後の科学分析計画2021

    • Author(s)
      矢野創, 三田肇, 左近樹, 小林憲正, 癸生川陽子,横谷香織, 阿部智子, 新井和吉, 遠藤いずみ, 藤島皓介, 今井栄一, 加藤浩, 木村駿太, 中川和道, 奥平恭子, オン碧, 佐々木聰, 田端誠, 冨田勝, 山岸明彦
    • Organizer
      第21回宇宙科学シンポジウム
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  • [Presentation] Stability of Amino Acids and Amino Acid Precursors in Space: Approaches Through Space Experiments (Tanpopo and Tanpopo 2) and Ground Simulation Experiments2020

    • Author(s)
      K. Kobayashi, T. Sato, T. Yokoo, I. Sakon, H. Yano, M. Nakayama, H. Mita, H. Hashimoto, S. Yokobori, A. Yamagishi, S. Yoshida, I. Yoda, H. Fukuda, Y. Oguri, K. Kanda
    • Organizer
      JpGU-AGU Joint Meeting 2020
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Formation of Complex Amino Acid Precursors by Cosmic Rays in Interstellar Environments2020

    • Author(s)
      K. Kobayashi, S. Kuramoto, T. Sato, M. Nakayama, H. Mita, S. Yoshida, H. Fukuda, Y. Oguri, H. Shibata, Y. Kebukawa
    • Organizer
      JpGU-AGU Joint Meeting 2020
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Analysis of nucleic acid bases formed from simulated interstellar media2020

    • Author(s)
      K. Sugaya, K. Kobayahshi, Y. Kebukawa, Y. Oguri and H. Fukuda
    • Organizer
      JpGU-AGU Joint Meeting 2020
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Evaluation of the aldononitrile acetate ester derivatization method for aldose analysis in products from chemical evolution experiments2020

    • Author(s)
      S. Abe, Y. Kebukawa and K. Kobayashi
    • Organizer
      JpGU-AGU Joint Meeting 2020
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Minerals and their catalytic effects on amino acid formations in environments simulating asteroids2020

    • Author(s)
      W. Elmasry, Y. Kebukawa and K. Kobayashi
    • Organizer
      JpGU-AGU Joint Meeting 2020
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Third year results and current status of Tanpopo: Capture and exposure experiment of micrometeoroids and microbes on Exposure Facility of International Space Station2020

    • Author(s)
      Akihiko Yamagishi, Hirofumi Hashimoto, Hajime Yano, Yuko Kawaguchi, Shin-ichi Yokobori , Kensei Kobayashi, Mita Hajime, Hikaru Yabuta, Masumi Higashide, Makoto Tabata, Eiichi Imai,
    • Organizer
      JpGU-AGU Joint Meeting 2020
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 生命の起源へと至る道2020

    • Author(s)
      小林憲正
    • Organizer
      Astrobiology on Line
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    • Invited
  • [Presentation] 宇宙環境下でのアミノ酸関連分子の安定性: 宇宙実験たんぽぽ・たんぽぽ2での検証2020

    • Author(s)
      小林憲正,三田肇, 癸生川陽子, 中川和道, 矢野創, 山岸明彦, たんぽぽRT, たんぽぽ2RT
    • Organizer
      日本マイクログラビティ応用学会第32回学術講演会
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  • [Presentation] 宇宙に生命の起源を探る2020

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      小林憲正
    • Organizer
      第21回比較グライコーム研究会・糖の起源と進化-宇宙&深海-
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  • [Presentation] UZUME計画:月縦穴環境での宇宙実験と有機物・微生物探査2020

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      小林憲正,横堀伸一,春山純一
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      第64回宇宙化学技術連合講演会
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      小林憲正,倉本想士,佐藤智仁,横尾拓哉,癸生川陽子,三田肇,中川和道,吉田聡,福田一志,小栗慶之,柴田裕実,矢野創,山岸明彦,左近樹
    • Organizer
      日本惑星科学会2020年秋季講演会
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      三田肇
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  • [Presentation] 地球外アミノ酸はストレッカー反応でできたのか2020

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      小林憲正,倉本想士,佐藤智仁,中山美紀,三田肇,吉田 聡,福田一志,小栗慶之,柴田裕実,癸生川陽子
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      生命の起原および進化学会第45回学術講演会
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      小林憲正,佐藤智仁,横尾卓哉,左近樹,中川和道,矢野創,中山美紀,三田肇,橋本博文,横堀伸一,山岸明彦,吉田 聡,依田 功,福田一志,小栗慶之,神田一浩,柴田裕実,高橋淳一,癸生川陽子
    • Organizer
      生命の起原および進化学会第45回学術講演会
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  • [Presentation] 地球生物の宇宙生存可能性検証のための短期宇宙曝露実証実験システムの構築2020

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      横堀伸一,時下進一,志賀靖弘,鳴海一成,杉本学,今井栄一,三田肇,橋本博文
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      吉村義隆、山岸明彦、宮川厚夫、今井栄一、佐々木聰、佐藤毅彦、塩谷圭吾、小林憲正、癸生川陽子、岡田朋華、薮田ひかる、長沼毅、三田肇、登尾浩助、佐藤直人、丸尾裕一、藤田和央、臼井寛裕
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      第34回宇宙環境利用科学シンポジウム
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      坂元俊紀,高橋淳一,癸生川陽子,小林憲正,柴田裕実,久保謙哉,泉雄大,松尾光一,藤本將輝,加藤政博
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      第56回アイソトープ・放射線研究発表会
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      佐藤智仁,倉本想士,吉田聡,依田功,福田一志,小栗慶之,三田肇,神田一浩,柴田裕実,高橋淳一,癸生川陽子,小林憲正
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      本間智穂, 癸生川陽子,小林憲正
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      生命の起原および進化&アストロバイオロジー 夏の学校2019
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      菅谷ことみ,癸生川陽子,小林憲正
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      生命の起原および進化&アストロバイオロジー 夏の学校2019
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      内藤弘毅,内藤敬介,福田一志,小栗慶之,癸生川陽子,小林憲正
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      生命の起原および進化&アストロバイオロジー 夏の学校2019
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  • [Presentation] Formation of Amino Acid Precursors in Slightly-Reducing Primitive Atmospheres by Solar Energetic Particles2019

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      K. Kobayashi, M. Kinoshita, S. Mouri, Y. Kebukawa, B. Kunwar, K. Kawamura, J. Takahashi, H. Shibata, H. Fukuda, Y. Oguri and V. S. Airapetian
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      日本分析化学会第68年会
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  • [Presentation] 模擬星間物質への粒子線照射により生成された高分子量アミノ酸前駆体のキャラクタリゼーション2019

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      倉本想士,佐藤智仁,福田一志,小栗慶之,柴田裕実,吉田聡,癸生川陽子,小林憲正
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      2019年度日本地球化学会年会
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  • [Presentation] 種々の模擬宇宙環境におけるアミノ酸前駆体の安定性2019

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      佐藤智仁,倉本想士,吉田聡,依田功,福田一志,小栗慶之,三田肇,神田一浩,柴田裕実,高橋淳一,癸生川陽子,小林憲正
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      2019年度日本地球化学会年会
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      2019年度日本地球化学会年会
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      高橋淳一,坂元俊紀,柴田裕実,久保謙哉,癸生川陽子,小林憲正
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      第62回放射線化学討論会
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      K. Kobayashi
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      ISSI International Team #464(ETERNAL Team) Meeting
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      2019年度アストロバイオロジーワークショップ
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      倉本想士,佐藤智仁,福田一志,小栗慶之,柴田裕実,吉田聡,癸生川陽子,小林憲正
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      V. S. Airapetian, G. Gronoff and K. Kobayashi
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      2019 AGU Fall Meeting
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      A. Mikuriya, H. Mita
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      日本惑星科学会2019年秋季講演会
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      三田肇
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      第58回九州高等学校理科教育研究会
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    • Invited
  • [Book] 地球・惑星・生命2021

    • Author(s)
      日本地球惑星科学連合編,井田茂,小林憲正,他
    • Total Pages
      272
    • Publisher
      東京大学出版会
    • ISBN
      9784130637152
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Published: 2019-07-04   Modified: 2021-12-27  

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