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2018 年度 実績報告書

初期地球物質が生命起源に果たした役割

研究課題

研究課題/領域番号 18H03729
研究機関東北大学

研究代表者

掛川 武  東北大学, 理学研究科, 教授 (60250669)

研究分担者 古川 善博  東北大学, 理学研究科, 准教授 (00544107)
小林 敬道  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (20260028)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード初期地球 / 化学進化 / 隕石衝突 / アミノ酸 / 核酸塩基 / リボース / ホウ酸 / 蒸発環境
研究実績の概要

初期地球における隕石衝突を模擬した有機分子生成実験を行なった。物質材料研究機構の一段式火薬銃を用いた実験では、13Cにラベリングされた炭酸と窒素を源にし、金属鉄、ニッケルや水との高圧高温反応を行なった。その結果、ホルムアルデヒド、各種アミノ酸、核酸塩基の生成に成功した。特にホルムアルデヒドは糖の起源に繋がる重要な分子であり、糖の起源にも迫れる成果が得られた。東北大学においても高温隕石衝突蒸発雲を模擬した実験を展開し、各種アミンやグリシンの生成に成功した。生成物は新規に購入した液体クロマトグラフィーで分析を行なった。さらに生成物の炭素窒素同位体測定を行い、隕石衝突環境での有機物生成反応経路の特定を行なった。その分析のためにガスクロマトグラフと質量分析計をつなぐインターフェースも新たに購入した。質量分析計の高真空に保つメインテナンスもこなった。これら一連の実験と分析によって、初期地球の隕石衝突イベントの重要性が改めて強調されることになった。生命起源の化学進化の中で重要なステップである、アミノ酸のペプチド(タンパク質)化の実験も行なった。高圧条件および高温蒸発条件で実験を展開し、DKPの生成を押さえながらグリシンの高重合体生成に成功した。次年度以降の継続実験を行うために高圧実験装置の改良もこなった。ペプチドとともに生命起源に重要なヌクレオチド(RNA)生成メカニズを解明するためにホウ酸に富んだ蒸発環境を模擬したホルモース反応実験も展開した。その結果、粘土鉱物存在下で今まで考えられていなかった非アルカリ性条件で、リボースの生成やリン酸化が促進されることがわかった。ホウ酸に富んだ環境での粘土鉱物の特性を調べるためにアメリカデスバレー周辺で野外調査、情報収拾を行なった。成果は国際学会などで発表する一方、英語論文として公表した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究課題では、以下の3つの課題をサブテーマとして取り組んでいる。初期地球環境の中で「生命の材料はどのように準備されたか」「どのようにタンパク質や酵素ができたか」「RNAはどのようにしてできたか」である。この研究において隕石衝突再現実験や初期地球鉱物を用いてホルモース反応実験を展開し、アミノ酸、核酸塩基、リボースの無機的生成を行うとしている。さらにそれら有機分子を初期地球環境模擬実験において重合させ、タンパク質、酵素、原始的RNAを生成することを目指している。これら成果を統合し「初期地球物質」がいかに生命を誕生させるために重要な役割を果たしたか、地球物質無くして生命が誕生しえなかった新たな説を提唱する。今年度は、これら3つの課題に即し目的に合致した研究を展開し、アミノ酸生成、ペプチド生成、リボース生成に関してポジティブなデータが得られた。新規購入した機器の整備などに予想外の時間を費やしたが、概ね目標は達成できた

今後の研究の推進方策

初期地球環境の中で「生命の材料はどのように準備されたか」という課題に関しては、継続して隕石衝突模擬実験を展開する。生成物の組成依存性が高いことが明らかになりつつあるので、時間が許す限り多くの実験を行う必要がある。現在まで11種類のアミノ酸生成に成功しているが、さらに多くの種類を作り出す予定である。核酸塩基もプリン塩基生成はまだ成功していないので、生成に適した条件を探し出し、成功にこぎつけたい。「どのようにタンパク質や酵素ができたか」という課題を実行するために、18年度には高圧装置の改良を試みた。現在行っているペプチド生成実験にアモルファス状の硫化鉄を混合させ実験を行う予定であるが、チャレンジングな課題として残っている。「RNAはどのようにしてできたか」に関しては、天然での条件(粘土鉱物の種類、リン酸とホウ酸が揃う環境)が重要になり、その条件を探す試みも継続して行う。合わせて初期地球の隕石衝突に関連した特殊事象(大気組成に与える影響など)も継続して収集し、実験に生かしていく。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (15件) (うち招待講演 3件)

  • [国際共同研究] FfAME(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      FfAME
  • [雑誌論文] Biogenic and abiogenic graphite in minerals and rocks of the early Earth2019

    • 著者名/発表者名
      Kakegawa T
    • 雑誌名

      Astrobiology

      巻: 3 ページ: 209, 227

    • DOI

      10.1007/978-981-13-3639-3_15

    • 査読あり
  • [雑誌論文] RNA synthesis before the origin of life, in Astrobiology2019

    • 著者名/発表者名
      Furukawa Y
    • 雑誌名

      Astrobiology

      巻: 1 ページ: 63, 74

    • DOI

      10.1007/978-981-13-3639-3_5

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Simultaneous In Situ Analysis of Carbon and Nitrogen Isotope Ratios in Organic Matter by Secondary Ion Mass Spectrometry2018

    • 著者名/発表者名
      Ishida A., Kitajima K., Willford K.H., Tuite M.L., Kakegawa T., Valley J.W
    • 雑誌名

      Geostandards and Geoanalytical Research

      巻: 42 ページ: 189、203

    • DOI

      10.1111/ggr.12209

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Racemization of Valine by Impact-Induced Heating, Origin of Life and Evolution of early Biosphere2018

    • 著者名/発表者名
      Furukawa Y., Takase A., Sekine T., Kakegawa T., Kobayashi T.
    • 雑誌名

      Origin of Life and Evolution of early Biosphere

      巻: 48 ページ: 131, 139

    • DOI

      org/10.1007/s11084-017-9539-0

    • 査読あり
  • [学会発表] Organic matter around Miocene Kuroko ore deposits: Implications to Archean submarine hydrothermal microbial community2019

    • 著者名/発表者名
      Kakegawa T
    • 学会等名
      Water Dynamic Symposium
    • 招待講演
  • [学会発表] アミノ酸から細胞分裂まで: 東北大学の強みを生かした生命起源研究2019

    • 著者名/発表者名
      掛川武
    • 学会等名
      東北大学際フロンティア研究所年会
    • 招待講演
  • [学会発表] Clay minerals as a formation catalyst and a stabilizer of ribose on the prebiotic EarthClay minerals as a formation catalyst and a stabilizer of ribose on the prebiotic Eart2018

    • 著者名/発表者名
      古川 善博、新田 あゆみ、阿部 千晶、掛川 武、Kim Hyo-joong、Benner Steven
    • 学会等名
      日本地球惑星連合大会
  • [学会発表] Discovery of Ni-Fe phosphides in 3.46 Ga-old Apex basalt from Western Australia2018

    • 著者名/発表者名
      塚本 雄也、掛川 武、グラハム ウーシー、リュウ ジークイ、大本 洋
    • 学会等名
      日本地球惑星連合大会
  • [学会発表] Geological and geochemical studies on Miocene diatomaceous sedimentary rocks at Akita and Aomori in Japan; role of sulfur in maturation of organic matter and petroleum formation2018

    • 著者名/発表者名
      蛭田 衣音、掛川 武、石田 章純
    • 学会等名
      日本地球惑星連合大会
  • [学会発表] カナダ・アビティビ緑色岩帯Potterdoal鉱床における硫化物と有機物の地球化学的研究2018

    • 著者名/発表者名
      大里 武、掛川 武、石田 章純
    • 学会等名
      日本地球惑星連合大会
  • [学会発表] Formaldehyde formation in asteroid impacts: a new origin of prebiotic sugar precursor2018

    • 著者名/発表者名
      増田 冴耶、小林 敬道、掛川 武、古川 善博
    • 学会等名
      日本地球惑星連合大会
  • [学会発表] Synthesis of Bio-important Organics in Post-impact Plumes2018

    • 著者名/発表者名
      Jonathan Adam Stimmer、Ryohei Kobayashi、Takeshi Kakegawa、Yoshihiro Furukawa
    • 学会等名
      日本地球惑星連合大会
  • [学会発表] Prebiotic formations of nucleotide and peptide around Hadean juvenile crusts2018

    • 著者名/発表者名
      Kakegawa T.
    • 学会等名
      日本地球惑星連合大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Constraints on terrestrial and shallow marine environments of 3.2 Ga Earth:ICDP full proposal for Moodies Group Drilling Project in South Africa2018

    • 著者名/発表者名
      掛川武
    • 学会等名
      日本地球惑星連合大会
  • [学会発表] 小惑星衝突によるホルムアルデヒド生成:前生物的な糖前駆体の新たな起源2018

    • 著者名/発表者名
      増田 冴, 小林 敬道, 掛川 武, 古川 善博
    • 学会等名
      地球化学会年会
  • [学会発表] グリシン水溶液の乾燥速度が重合に与える影響2018

    • 著者名/発表者名
      佐藤 圭一郎, 掛川 武, 古川 善博
    • 学会等名
      地球化学会年会
  • [学会発表] 中性条件でのリボース生成反応に対する鉱物の影響2018

    • 著者名/発表者名
      阿部 千晶, 掛川武, 古川善博
    • 学会等名
      地球化学会年会
  • [学会発表] Discovery of Ni-Fe Phosphates in the 3.46 Ga-Old Apex Basalt: Implications on the Phosphate Budget of the Archean Oceans2018

    • 著者名/発表者名
      Tsukamoto Y, Kakegawa T, Graham U, Liu Z-K, Ito A & Ohmoto H
    • 学会等名
      Goldschmidt Coference
  • [学会発表] New Evidence for Microbial Sulfur Metabolism in 2.7 Gas Marine Environments2018

    • 著者名/発表者名
      Kakegawa T & Kunitake Y
    • 学会等名
      Goldschmidt Conference

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公開日: 2019-12-27  

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