環境班：初期地球と火星におけるCO環境の解読

2022 年度 実績報告書

• 研究領域: ＣＯ環境の生命惑星化学
• 研究課題/領域番号: 22H05151
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 上野 雄一郎 東京工業大学, 理学院, 教授 (90422542)
• 研究分担者: 山田 桂太 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (70323780) ; ジルベルト アレキシー 東京工業大学, 理学院, 准教授 (20726955) ; 青木 翔平 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 講師 (60773629)
• 研究期間 (年度): 2022-06-16 – 2027-03-31
• キーワード: 同位体分子 / 初期地球 / 火星探査 / バイオマーカー

研究実績の概要

高質量分解能安定同位体比質量分析計のバージョンアップを行い、炭化水素類の13C-13C, 13C-2H同位体分子種に加え,存在度の低い2H-2H同位体分子計測を可能とした。　特に本年度はエタンおよびエタノールの13C-13C二重置換同位体分子種の存在度について、これまでの観測に加えて実験的研究を加え、それを解析した結果、無機的にC1化合物から合成した炭化水素ガスはその重合の際に13C-13C結合が形成されにくいことが原因となり、生物起源の炭化水素（エタン)と二重置換度が明瞭に異なることが明らかになった（Taguchi et al., 2022 Nature Communications)。
また、生物班と共同で白馬八方地域およびマリアナ前弧域深海探査を行い、蛇紋岩熱水・湧水の炭化水素および有機酸等を採取し、またこれら試料から微量な有機酸を抽出した。
一方、理論班との共同研究により、大気光化学モデルに同位体分別を導入した理論モデルを構築し、現在の火星大気COが極度に13Cに枯渇することを理論的に予測すると同時に、それが観測可能であることを示した　(Yoshida, Aoki, Ueno et al., 2023)。この成果はさらに、分担者の青木が主導する火星大気の分光観測（Aoki, Ueno et al. 査読中)と、代表者の上野が行った室内実験(Ueno, Kurokawa, Usui et al., 査読中)と調和的である。
さらに、化学班と共同して行っているCO大気の光化学実験によると、CO大気からはN2OおよびNH3からアミノ酸が合成されるだけでなく、イミダゾール等、核酸塩基に類似する複素環式化合物も合成されることが明らかになった。こうした結果は想定外のものであったが、惑星のCO環境下で生命代謝につながる化学系を構築・実証する上で重要である。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

13C-13C二重置換度による炭化水素の起源判別法(Taguchi, Gilbert, Ueno et al., 2022 Nature Communications)は新規の生物指標（バイオマーカー）を構築する上で大きな成果と言える。また、火星大気COの研究が進展し、これまで認識されてこなかったCOの炭素同位体異常について、理論・実験・観測の３方向からそのメカニズムが検証されつつある。これは、過去の惑星大気においてCOから有機物が形成されるプロセスを明らかにするうえで、その基盤が強固となった点で意義が大きい。
さらに、CO大気から実験的に複素環式化合物が合成されることを明らかになった。この結果は想定を上回るものであり、惑星のCO環境下で生命代謝につながる化学系を構築・実証する上で大きな進展である。

今後の研究の推進方策

環境物質の起源推定法をより強固にしていくため、これまでに確立した同位体分子計測技術を応用し、適用可能な分子種を順次拡張する。そのため、高質量分解能質量分析計を順次アップグレードする計画である。
生物班との共同研究において今後は特に採取した蛇紋岩水系の試料分析に注力すると同時に、培養実験も展開する。
理論班との共同研究においては、引き続き大気モデル・生態系モデルに同位体分別を導入する分別係数の決定を実験的に行い、観測と比較する。
化学班との共同研究においては、今後は模擬大気UV実験をC-NルートおよびC-Sルートへと展開することで、惑星CO環境において生命代謝につながる化学系を構築・実証していく。そのため、特にアミノ酸を効率よく生成する自己触媒的な化学系の構築に狙いを定める

研究成果

• [国際共同研究] コペンハーゲン大学(デンマーク)
  • 国名: デンマーク
  • 外国機関名: コペンハーゲン大学
• [国際共同研究] 西オーストラリア大学(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: 西オーストラリア大学
• [国際共同研究] ヘルムホルツ-センター ポツダム(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ヘルムホルツ-センター ポツダム
• [国際共同研究] Belgian Institute for Space Aeronomy(ベルギー)
  • 国名: ベルギー
  • 外国機関名: Belgian Institute for Space Aeronomy
• [雑誌論文] The noble gas and nitrogen relationship between Ryugu and carbonaceous chondrites (2023)
  • 著者名/発表者名: Broadley M. W., K. Yamada, et al.
  • 雑誌名: Geochimica et Cosmochimica Acta 巻: 345 ページ: 62-74
  • DOI: 10.1016/j.gca.2023.01.020
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Martian Ozone Observed by TGO/NOMAD‐UVIS Solar Occultation: An Inter‐Comparison of Three Retrieval Methods (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Piccialli, A. C. Vandaele, Y. Willame, A. Maattanen, L. Trompet, J. T. Erwin, F. Daerden, L. Neary, S. Aoki, S. Viscardy, I. R. Thomas, C. Depiesse, B. Ristic, J. P. Mason, M. R. Patel, M. J. Wolff, A. S. J. Khayat, G. Bellucci, J.‐J. Lopez‐Moreno
  • 雑誌名: Earth and Space Science 巻: 10 (2) ページ: e2022EA002429
  • DOI: 10.1029/2022ea002429
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Carbon dioxide retrievals from NOMAD‐SO on ESA’s ExoMars Trace Gas Orbiter and temperature profiles retrievals with the hydrostatic equilibrium equation. II. Temperature variabilities in the mesosphere at Mars terminator. (2023)
  • 著者名/発表者名: L. Trompet, A.C. Vandaele, I. Thomas, S. Aoki, F. Daerden, J. Erwin, Z. Flimon, A. Mahieux, L. Neary, S. Robert, G. Villanueva, G. Liuzzi, Lopez Valverde, A. Brines, G. Bellucci, J. J. Lopez‐Moreno, M. R. Patel
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 128, 3 ページ: e2022JE007279
  • DOI: 10.1029/2022je007279
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Carbon dioxide retrievals from NOMAD‐SO on ESA’s ExoMars Trace Gas Orbiter and temperature profiles retrievals with the hydrostatic equilibrium equation. I. Description of the method (2023)
  • 著者名/発表者名: L. Trompet, A.C. Vandaele, I. Thomas, S. Aoki, F. Daerden, J. Erwin, Z. Flimon, A. Mahieux, L. Neary, S. Robert, G. Villanueva, G. Liuzzi, Lopez‐Valverde, A. Brines, G. Bellucci, J. J. Lopez‐Moreno, M. R. Patel
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 128, 3 ページ: e2022JE007277
  • DOI: 10.1029/2022je007277
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Retrieval of Martian atmospheric CO vertical profiles from NOMAD observations during the 1st year of TGO operations (2023)
  • 著者名/発表者名: Ashimananda Modak, Shohei Aoki, et al.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 128, 3 ページ: e2022JE007282
  • DOI: 10.1029/2022je007282
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Strong depletion of 13C in CO induced by photolysis of CO2 in the Martian atmosphere calculated by a photochemical model (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, T., Aoki, S., Ueno, Y., Terada, N., Nakamura, Y., Shiobara, K., Yoshida, N., Nakagawa, H., Sakai, S., Koyama, S.,
  • 雑誌名: Planetary Science Journal 巻: 4 ページ: -
  • DOI: 10.3847/PSJ/acc030
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Low 13C-13C abundances in abiotic ethane (2022)
  • 著者名/発表者名: Taguchi, K., Gilbert, A., Sherwood Lollar, B., Giunta, T., Boreham, C.J., Liu, Q., Horita, J., Ueno, Y.,
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41467-022-33538-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sulfur in Archean komatiite implies early subduction of oceanic lithosphere (2022)
  • 著者名/発表者名: Kubota, Y., Matsu’ura, F., Shimizu, K., Ishikawa, A., Ueno, Y.,
  • 雑誌名: Earth and Planetary Science Letters 巻: 598 ページ: -
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2022.117826
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spatial distribution of organic functional groups in Ediacaran acritarchs from the Doushantuo Formation in South China as revealed by micro-FTIR spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Igisu, M., Ueno, Y., Komiya, T., Awramik, S.M., Ikemoto, Y., Takai, K.,
  • 雑誌名: Precambrian Research 巻: 373 ページ: -
  • DOI: 10.1016/j.precamres.2022.106628
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Sulfur isotope systematics of granitoids from the Yilgarn Craton shed new light on the fluid reservoirs of Neoarchean orogenic gold deposits (2022)
  • 著者名/発表者名: Caruso, S., Fiorentini, M.L., Champion, D.C., Lu, Y., Ueno, Y., Smithies, R.H.,
  • 雑誌名: Precambrian Research 巻: 326 ページ: 199-213
  • DOI: 10.1016/j.gca.2022.03.023
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] STXM-XANES analyses of carbonaceous matter in seafloor hydrothermal deposits from the ~3.5 Ga Dresser Formation in the North Pole area, Western Australia (2022)
  • 著者名/発表者名: Igisu, M., Takahashi, Y., Uematsu, K., Takeichi, Y., Ueno, Y., Takai, K.,
  • 雑誌名: Geochemical Journal 巻: 56 ページ: 129-133
  • DOI: 10.2343/geochemj.GJ22010
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Sulfur mass-independent fractionation during SO2 photolysis in low-temperature/pressure atmospheres (2022)
  • 著者名/発表者名: Endo, Y., Sekine, Y., Ueno, Y.,
  • 雑誌名: Chemical Geology 巻: 609 ページ: -
  • DOI: 10.1016/j.chemgeo.2022.121064
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Photochemical synthesis of ammonia and amino acids from nitrous oxide (2022)
  • 著者名/発表者名: Zang, X., Ueno, Y., Kitadai, N.,
  • 雑誌名: Astrobiology 巻: 22 ページ: 387-398
  • DOI: 10.1089/ast.2021.0064
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Re-evaluation of the 13C isotope fractionation associated with lipids biosynthesis by position-specific isotope analysis of plant fatty acids (2022)
  • 著者名/発表者名: Julien M., Zhao Y., Ma R., Zhou Y.P., Nakagawa M., Yamada K., Yoshida N., Remaud G.S., Gilbert A.
  • 雑誌名: Organic Geochemistry 巻: 174 ページ: -
  • DOI: 10.1016/j.orggeochem.2022.104516
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] First asteroid gas sample delivered by the Hayabusa2 mission: A treasure box from Ryugu (2022)
  • 著者名/発表者名: Okazaki R. Yamada. K, et al.
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 8 ページ: 2375-2548
  • DOI: 10.1126/sciadv.abo7239
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The GAs Extraction and Analyses system (GAEA) for immediate extraction and measurements of volatiles in the Hayabusa2 sample container (2022)
  • 著者名/発表者名: Miura Y.N., Okazaki R., Takano Y., Sakamoto K., Tachibana S., Yamada K., Sakai s., Sawada H.
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 74 ページ: -
  • DOI: 10.1186/s40623-022-01638-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Source analysis of dissolved methane in Chukchi Sea and Bering Strait during summer-autumn of 2012 and 2013 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kudo K., Toyoda S., Yamada K., Yoshida N. Sasano D., Kosugi N., Muata A., Uchida H., Nishino S.
  • 雑誌名: Marine Chemistry 巻: 243 ページ: -
  • DOI: 10.1016/j.marchem.2022.104119
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrocarbon Cycling in the Tokamachi Mud Volcano (Japan): Insights from Isotopologue and Metataxonomic Analyses (2022)
  • 著者名/発表者名: A. Gilbert, Mayuko Nakagawa, Koudai Taguchi, Naizhong Zhang, Akifumi Nishida, Naohiro Yoshida
  • 雑誌名: Microorganisms 巻: 7 ページ: 1417
  • DOI: 10.3390/microorganisms10071417
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Water vapor vertical distribution on Mars during perihelion season of MY 34 and MY 35 with ExoMars‐TGO/NOMAD observations (2022)
  • 著者名/発表者名: A. Brines, M. A. Lopez‐Valverde, A. Stolzenbach, A. Modak, B. Funke, F. G. Galindo, S. Aoki, G. L. Villanueva, G. Liuzzi, I. R. Thomas, J. T. Erwin, U. Grabowski, F. Forget, J. J. Lopez‐Moreno, J. Rodriguez‐Gomez, F. Daerden, L. Trompet, B. Ristic, M. R. Patel, G. Bellucci, A. C. Vandaele
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 128, 3 ページ: e2022JE007273
  • DOI: 10.1029/2022je007273
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Martian atmospheric temperature and density profiles during the 1st year of NOMAD/TGO solar occultation measurements (2022)
  • 著者名/発表者名: Miguel‐Angel Lopez Valverde, Shohei Aoki, et al.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 128, 2 ページ: e2022JE007278
  • DOI: 10.1029/2022je007278
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Global variations in water vapour and saturation state throughout the Mars Year 34 dusty season (2022)
  • 著者名/発表者名: J. A. Holmes, S. R. Lewis, M. R. Patel, J. Alday, S. Aoki, G. Liuzzi, G. L. Villanueva, M. M. J. Crismani, A. A. Fedorova, K. S. Olsen, D. M. Kass, A. C. Vandaele, O. Korablev
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 127, 10 ページ: e2022JE007203
  • DOI: 10.1029/2022je007203
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Global vertical distribution of water vapor on Mars: Results from 3.5 years of ExoMars‐TGO/NOMAD science operations (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Aoki, A. C. Vandaele, F. Daerden, G. L. Villanueva, G. Liuzzi, R. T. Clancy, M. A. Lopez‐Valverde, A. Brines, I. R. Thomas, L. Trompet, J. T. Erwin, L. Neary, S. Robert, A. Piccialli, J. A. Holmes, M. R. Patel, N. Yoshida, J. Whiteway, M. D. Smith, B. Ristic, G. Bellucci, J. J. Lopez‐Moreno, A. A. Fedorova
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 127, 9 ページ: e2022JE007231
  • DOI: 10.1029/2022je007231
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Planet‐Wide Ozone Destruction in the Middle Atmosphere on Mars During Global Dust Storm (2022)
  • 著者名/発表者名: F. Daerden, S. Aoki, et al.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 (11) ページ: e2022GL098821
  • DOI: 10.1029/2022gl098821
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The deuterium isotopic ratio of water released from the Martian caps as measured with TGO/NOMAD (2022)
  • 著者名/発表者名: Geronimo L. Villanueva, Shohei Aoki, et al.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 (12) ページ: e2022GL098161
  • DOI: 10.1029/2022gl098161
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Variations in Vertical CO/CO 2 Profiles in the Martian Mesosphere and Lower Thermosphere Measured by the ExoMars TGO/NOMAD: Implications of Variations in Eddy Diffusion Coefficient (2022)
  • 著者名/発表者名: Nao Yoshida, Shohei Aoki, et al.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 (10) ページ: e2022GL098485
  • DOI: 10.1029/2022GL098485
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Density and temperature of the upper mesosphere and lower thermosphere of Mars retrieved from the OI 557.7 nm dayglow measured by TGO/NOMAD (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Aoki, L. Gkouvelis, J.‐C. Gerard, L. Soret, B. Hubert, M. A. Lopez‐Valverde, F. Gonzalez‐Galindo, H. Sagawa, I. R. Thomas, B. Ristic, Y. Willame, C. Depiesse, J. Mason, M. R. Patel, G. Bellucci, J.‐J. Lopez‐Moreno, F. Daerden, A. C. Vandaele
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 127, 6 ページ: e2022JE007206
  • DOI: 10.1029/2022JE007206
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Mars oxygen visible dayglow: A MARTIAN YEAR OF NOMAD/UVIS OBSERVATIONS (2022)
  • 著者名/発表者名: L. Soret, J.‐C. Gerard, S. Aoki, L. Gkouvelis, I. R. Thomas, B. Ristic, B. Hubert, Y. Willame, C. Depiesse, A.C. Vandaele, M. R. Patel, J. P. Mason, F. Daerden, J.‐J. Lopez‐Moreno, G. Bellucci
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 127, 6 ページ: e2022JE007220
  • DOI: 10.1029/2022JE007220
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Can CO world create life? Opening talk (2023)
  • 著者名/発表者名: Ueno Y.
  • 学会等名: CO world workshop on Chemical Roots of Metabolism
  • 国際学会
• [学会発表] 初期火星大気のCOから生成する有機物 (2023)
  • 著者名/発表者名: 上野 雄一郎
  • 学会等名: 第24回 惑星圏研究会 (SPS2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Large carbon isotope fractionation implies a CO world on early Mars (2023)
  • 著者名/発表者名: Ueno Y., Schmidt J., Johnson M., Ozaki K., Kurokawa H., Usui T.
  • 学会等名: NOMAD SWT#23 (International conference on new insights into Mars achieved by remote-sensing observation, numerical simulation, and laboratory experiment of trace gases)
  • 国際学会
• [学会発表] UPDATE ON ISOTOPE STUDY: 13C/12C RATIO IN CO OBSERVED BY IRTF/ISHELL (FIRST ATTEMPT (2023)
  • 著者名/発表者名: 青木 翔平
  • 学会等名: NOMAD SWT meeting #23, Matsushima, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Tracing oxygen in sulfate using 34S-18O clumping (2022)
  • 著者名/発表者名: Ueno Y, Surma J, Katsuta T, Ishimaru T, Nakagawa M, Crockford P.W., Bao H., Yoshida N.
  • 学会等名: ISI2022
  • 国際学会
• [学会発表] The compositional dichotomy of ca. 3.3 Ga komatiites from the West Pilbara (2022)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y., Nakano S., Ishikawa A., and Ueno Y.
  • 学会等名: Goldschmidt Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Potential mechanisms to synthesize amino acids from nitrous oxide and carbon monoxide through large molecular weight precursor (2022)
  • 著者名/発表者名: Zang, X., Ueno, Y.
  • 学会等名: Goldschmidt Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 還元的な初期火星大気のCOから生成する有機物の異常な13C枯渇 (2022)
  • 著者名/発表者名: Ueno Y., Schmidt J., Johnson M., Zang X.
  • 学会等名: 地球化学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] Can CO world create an evolvable chemical system? (2022)
  • 著者名/発表者名: Ueno Y., Ozaki K., Zang X., Smith E., Kurokawa H., Schmidt J., Johnson M.S., Kitadai N., Suzuki S.
  • 学会等名: ELSI mini symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Deciphering Hydrocarbons’ Sources and Sinks through Isotopologue measurements (2022)
  • 著者名/発表者名: Alexis Gilbert
  • 学会等名: GRC Organic Geochemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Isotopologues of organic molecules: method developments and applications (2022)
  • 著者名/発表者名: Alexis Gilbert
  • 学会等名: ISI/Isotopes 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Global vertical distribution of water vapor on Mars: Results from 2 Mars years of ExoMars-TGO/NOMAD science operations (2022)
  • 著者名/発表者名: 青木 翔平
  • 学会等名: Seventh international workshop on the Mars atmosphere: Modelling and observations, Paris,
  • 国際学会
• [学会発表] 13C/12C RATIO IN CO OBSERVED BY NOMAD SO CHANNEL ~PRELIMINARY RESULTS~ (2022)
  • 著者名/発表者名: 青木 翔平
  • 学会等名: NOMAD SWT meeting #22, IASB-BIRA, Brussels
  • 国際学会
• [学会発表] UPDATE ON WATER AND HCL RETRIEVALS FROM THE SO-CHANNEL (2022)
  • 著者名/発表者名: 青木 翔平
  • 学会等名: NOMAD SWT meeting #22, IASB-BIRA, Brussels
  • 国際学会
• [備考] CO環境の生命惑星化学
  • URL: https://co-world.jp
• [備考] 生命由来の有機分子を見分ける新手法を開発： 生物由来のエタン分子が持つ特徴的な13C-13C結合度
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2022/065170
• [備考] Detect the Signature of Biotic Hydrocarbons
  • URL: https://www.titech.ac.jp/english/news/2022/065167