科学者たちは、生命の限界を追求するために、居住可能性の周辺を突いたり突いたりしています。その目的のために、彼らは地表から何キロメートルも下にトンネルを掘り、坑道の底から外側に向かって掘削し、海底堆積物に深く掘り下げました。驚いたことに、NASA のエイムズ研究センターの化学者で宇宙生物学者であるトリ ホーラーは、「生命は私たちが見たどこにでもありました」と述べています。そして、それは驚異的な量で存在していました.さまざまな推定によると、人が住んでいる地下領域は海の2倍の体積を持ち、10個のセルのオーダーを保持しており、地球上で最大の生息地の1つであるだけでなく、最も古い生息地の1つにもなっています.そして最も多様です。
研究者たちは、そこにいる生命のほとんどがどのように生き残っているかを理解しようとしています。光合成のための太陽光はそのような深さまで到達できず、光合成を行うわずかな量の有機炭素食物は、多くの場合、すぐに使い果たされます。海底の熱水噴出孔の近くや火山活動によって暖められた大陸地域内に生息する生物群集とは異なり、ここの生態系は一般に、光合成とは独立した地下の生命を支える高温プロセスに頼ることができません。これらの微生物は、深い寒さと暗闇の中でしがみつく必要があります.
異なる研究グループによって 2 月に発表された 2 つの論文は、大陸の下と深海堆積物中の細胞に関するこの謎の一部を解決したようです。彼らは、太陽の核融合反応が地表世界にエネルギーを供給するのと同じように、別の種類の核プロセス - 放射性崩壊 - が地表の奥深くで生命を維持できるという証拠を見つけました。岩石中の不安定な原子からの放射線は、水分子を水素と化学的に反応性の過酸化物およびラジカルに分解する可能性があります。一部のセルは水素を燃料として直接使用できますが、残りの生成物はミネラルやその他の周囲の化合物を追加のエネルギー源に変えます。
これらの放射線分解反応は、太陽や地下の熱プロセスよりもはるかにゆっくりとエネルギーを生成しますが、研究者たちは、それらが幅広い設定で微生物活動の主要なドライバーになるのに十分な速さであることを示しました。生命にとって重要な有機分子やその他の化学物質。新しい研究には関与していないブラウン大学の惑星地質学者ジャック・マスタードによると、放射線分解の説明は、生命がどのように見えるか、初期の地球でどのように出現したか、そしてどこで発生したかについて「まったく新しい展望を切り開いた」と述べています。そうでなければ、宇宙でいつか見つかるかもしれません。
深部の水素
Barbara Sherwood Lollar は、熱水噴出孔で生命が発見されてから 4 年後の 1981 年に大学に入学しました。 「ジュール・ヴェルヌの安定した食事を私に与えてくれた」2 人の教師の子供として、彼女は言いました。深部の地下を研究することは、「これまでに見られたことのない惑星の一部、私たちがまだ理解していなかった種類の生命を理解する」方法であっただけでなく、「明らかに境界を踏みにじろうとしていた」化学、生物学、物理学、地質学の間で、科学者が新しい興味深い方法でこれらの分野を組み合わせることができるようにします。
1980 年代の Sherwood Lollar のトレーニングと、90 年代のトロント大学での地質学者としての彼女の初期のキャリアを通じて、ますます多くの地下微生物群集が発見されました。この生命を支えたものの謎は、水素ガスをエネルギー源として使用する細胞でいっぱいの「深部水素誘発生物圏」が存在する可能性があると提案する研究者を駆り立てました。多くの地質学的プロセスは水素を生成する可能性があるが、最もよく研究されているものは高温と高圧でのみ発生する.これらには、火山ガス間の相互作用、水の存在下での特定の鉱物の分解、および蛇紋岩化 (水との反応による特定の種類の地殻岩の化学変化) が含まれます。
2000 年代初頭までに、Sherwood Lollar、Li-Hung Lin (現在は国立台湾大学)、Princeton 大学の Tullis Onstott とその同僚は、水の中に高濃度の水素を発見していました。南アフリカとカナダの地殻の深部から分離されています。しかし、蛇紋石化では説明できませんでした。必要な種類のミネラルが存在しないことがよくありました。また、最近の火山活動とマグマの流れがなかったため、他のプロセスも起こりそうにありませんでした.
「そこで私たちは、水素生成反応と、これらの場所の岩石の化学および鉱物学との関係を調べ、理解を広げ始めました」と Sherwood Lollar 氏は述べています。
手がかりは、それらの岩場に閉じ込められた水が大量の水素だけでなくヘリウムも保持していたことを発見したことから得られました。これは、ウランやトリウムなどの元素の放射性崩壊からの粒子が水分子を分割していたことを示しています。そのプロセスである水の放射線分解は、20 世紀の初めにキュリー夫人の研究室で初めて観察されました。研究者は、ラジウム塩の溶液が水素と酸素の気泡を生成することに気付きました。キュリーはそれを「電極のない電気分解」と呼んだ。 (科学者が酸素がプロセス中に生成された過酸化水素から来ていることに気付くまでにさらに数年かかりました。)
Sherwood Lollar、Lin、Onstott とその共同研究者は、2006 年に、南アフリカとカナダの微生物群集が、放射線分解によって生成された水素から生存のためのエネルギーを得ていると提案しました。こうして、放射線分解が自然界の生命にとってどれほど重要であるかを解明するための長い探求が始まりました。
「完全に自立したシステム」
次の 10 年間、研究者はさまざまな採掘現場の深部帯水層からサンプルを取得し、流体の複雑な化学的性質をその地質学的環境に関連付けました。カナダの地殻の下に閉じ込められた水の一部は、10 億年以上、おそらく 20 億年もの間、地表から隔離されていました。その水の中にバクテリアがいて、まだ非常に生きていました.
「それは完全に自立したシステムでなければなりませんでした」とマスタードは観察しました。排除の過程で、放射線分解は可能なエネルギー源のように見えましたが、生命を維持するのに十分な量があるのでしょうか?
2014 年、Sherwood Lollar と彼女の同僚が、核化学者の実験室での研究結果を地殻の鉱物組成のモデルと組み合わせたとき、放射線分解やその他のプロセスが大陸の地下で膨大な量の水素を生成している可能性が高いことを発見しました。熱水やその他の深海環境から発生すると考えられる水素の量。 「地球上の水と岩石の反応による水素生成の見積もりを 2 倍にしました」と Sherwood Lollar 氏は述べています。
微生物は放射線分解によって生成された水素を直接利用することができましたが、それは話の半分に過ぎませんでした. それを最大限に利用するには、電子供与体としての水素だけでなく、電子受容体としての別の物質が必要でした.科学者たちは、放射線分解による過酸化水素やその他の酸素含有ラジカルが周囲のミネラルと反応したときに生成される化合物で、微生物がそれを発見したのではないかと疑っていました。 2016 年に発表された研究では、放射線分解過酸化水素がカナダの鉱山の壁にある硫化物と相互作用して、電子受容体である硫酸塩を生成している可能性が高いことが示されました。しかし、Sherwood Lollar と彼女の同僚は、細胞がエネルギーを硫酸塩に依存しているという証拠をまだ必要としていました.
2019年、ついに手に入れました。鉱山の地下水からバクテリアを培養することにより、彼らは微生物が水素と硫酸塩の両方を利用していることを示すことができました.水、いくらかの放射性崩壊、少量の硫化物 — 「そして、何十億年も持続できる持続的なエネルギー生産システムを得ることができます…居住性の周囲の脈動のように」と、惑星科学者で NASA のポスドク研究員であるジェシー・ターナスは言いました。
2 月の論文で、Sherwood Lollar と彼女の同僚は、放射線分解が地球上の水素と硫黄のサイクルだけでなく、生命に最も密接に関連するサイクルである炭素のサイクルにも役立つことを示しました。同じカナダの鉱山からの水サンプルの分析は、バクテリアの生命を維持できる非常に高濃度の酢酸塩とギ酸塩の有機化合物を示しました.さらに、同位体シグネチャの測定は、化合物が非生物的に生成されていることを示しました。研究者は、放射線分解生成物が岩石からの溶解した炭酸塩鉱物と反応して、彼らが観察していた大量の炭素ベースの分子を生成していると仮定しました.
彼らの仮説を確固たるものにするために、シャーウッド・ロラーのチームは追加の証拠を必要としていました。ちょうど1か月後に届きました。フランスのグルノーブル・アルプ大学の地球化学者であるローラン・トゥルーシェとナント大学のヨハン・ヴァンデンボールが率いる核化学者は、実験室で放射線分解を独自に研究していました。 3月に発表された研究で、彼らは溶解した炭酸塩の存在下での放射線分解の正確なメカニズムと収量を突き止めました.彼らはギ酸塩や酢酸塩を含むさまざまな副産物の正確な濃度を測定し、記録された量と速度は、Sherwood Lollar が自然の岩石の深い割れ目に見たものと一致していました。
海の底で
Sherwood Lollar が大陸の地下でフィールド調査を行っている間、少数の科学者が海底下の放射線分解の影響を調べようとしていました。ロードアイランド大学の地球微生物学者であるスティーブ・ドント氏はその中の一人で、彼は 2 月に大学院生のジャスティン・ソヴァージュ氏とその同僚と共に、放射線分解が海面下の維持に重要であるという約 20 年分の詳細な証拠の結果を発表しました。
2010 年、D'Hondt 氏と海洋研究開発機構の地球微生物学者である稲垣文夫氏は、世界中から海底下の堆積物のサンプルを収集する掘削調査を行いました。その後、D’Hondt と Sauvage は数十種類の堆積物を水に懸濁し、さまざまな種類の放射線にさらしました。そのたびに、生成される水素の量が純水に照射された場合よりもはるかに多いことがわかりました。堆積物は、放射線分解の生成物を増幅していました。そして「利回りはばかげていた」とドント氏は語った。場合によっては、水中に堆積物が存在すると、水素の生成が 30 倍近く増加しました。
「一部の鉱物は、放射線分解水素生成の温床にすぎません」とドント氏は述べています。 「放射線のエネルギーを、微生物が食べることができる化学エネルギーに非常に効率的に変換します。」
しかし、D'Hondt と彼の同僚は、掘削した堆積物コアに水素をほとんど発見していません。 「生成されている水素が何であれ、消えつつあります」とD'Hondtは言いました。研究者は、堆積物に生息する微生物によって消費されていると考えています.
彼らのモデルによると、数百万年以上前の深い堆積物では、放射性水素が生成され、有機物よりも速く消費されており、古い堆積物では水の放射線分解が主要なエネルギー源になっています。地球規模の海洋堆積物環境で利用可能な総エネルギーのわずか 1% ～ 2% を占めるに過ぎませんが、残りの 98% は堆積物が若いときに主に消費される有機炭素に由来しますが、その影響は依然としてかなり大きいです。南カリフォルニア大学の惑星科学者である Doug LaRowe 氏は、「遅いかもしれませんが、地質学的な観点からすると、地質学的な時間の経過とともに…合計され始めます」と述べています。
これは、放射線分解が「地球上の重要なマイクロバイオームにとって生物学的に利用可能なエネルギーの基本的な供給源である」ことを意味します. 「とても印象的です。」
生命の起源を探るナチュラル ラボ
放射線分解の新たな科学的重要性は、極端な環境で生命を維持する方法に関連するだけではない可能性があります。また、地球やその他の場所で、非生物的有機合成が生命の起源の舞台をどのように設定したかを明らかにすることもできます.
Sherwood Lollar は、カナダの鉱山周辺の閉鎖環境システムでは、ほとんどの炭素含有化合物が非生物的に生成されたように見えるという彼女のチームの最近の観察によって元気づけられています。 「生命のしみがすべてを汚染していない、地球上で数少ない場所の1つです」と彼女は言いました. 「そして、それらは地球上で非常に希少で貴重な場所です。」
それらのユニークな価値の一部は、それらが「生命が誕生する前に私たちの地球が持っていたかもしれないプレバイオティクススープであったかもしれないものの類似物」になることができるということです.この種の地下環境で生命が発生しなかったとしても — 熱水噴出孔のような惑星のより高エネルギーの領域は、起源の物語の可能性が高い場所です — それは生命が長い間持続できる安全な場所を提供しました.地表で発見された危険から遠く離れた時間 (流星の衝突や初期の地球を悩ませた高レベルの放射線など)。
モデリングと実験作業により、単純なシステム (たとえば、水素、二酸化炭素、硫酸塩のみで構成される) でさえ、非常に複雑な微生物の食物網につながる可能性があることが示されています。放射線分解からのギ酸や酢酸などの化合物を混合物に追加すると、潜在的な生態学的景観が大幅に広がる可能性があります。また、酢酸塩とギ酸塩はより複雑な有機物を形成できるため、さらに多様なシステムを生み出すことができます.スイス連邦工科大学チューリッヒ校の地球生物学者、Cara Magnabosco 氏は、「生命がこのように複雑に動いていることを確認することは重要です」と述べています。 P>
「放射線分解では、ギ酸や酢酸などの基本的な有機炭素しか作れないとしましょう」と LaRowe 氏は述べています。 「これらの化合物を別の環境設定に移動すると、おそらくそこで反応して別のものを形成する可能性があります.それらは、異なる設定でのより複雑な反応のスターターまたはフィーダー材料になります。」これは、科学者がアミノ酸やその他の生命の重要な構成要素がどのように発生したかを理解するのに役立つかもしれません.
Sherwood Lollar は現在、CIFAR Earth 4D プロジェクトの同僚を含む他の科学者と協力して、古代カナダの水に存在する有機分子が手元の化学をどのように「複雑化」するかを研究しています。パリ地球物理学研究所の地球生物学者であるベネディクト・メネズ氏は、今年後半に発表することを望んでいる研究で、「有機物と鉱物の共進化がこれらの有機化合物の多様化の鍵であることを示しています」と述べています。研究のリーダー。彼女の目的は、より複雑な有機構造がどのように形成され、その後、最も初期の微生物代謝のいくつかで役割を果たすことができるかを判断することです.
宇宙生物学者はまた、太陽系や銀河系全体の惑星や月の居住可能性を制限する際に、放射線分解を考慮することがいかに重要であるかを認識しています。日光、高温、その他の条件は、地球外生命体を維持するために厳密には必要ないかもしれません。放射線分解は、地下に水がある岩石惑星では事実上どこにでもあるはずです.
火星を取ります。 1 つは数年前に発表され、もう 1 つは先月発表された 2 つの研究で、Tarnas、Mustard、Sherwood Lollar およびその他の研究者は、地球の放射線分解で行われている定量的研究を火星の地下に翻訳しました。彼らは、火星の鉱物組成やその他のパラメーターに基づいて、今日の火星が地球と同様の微生物生態系を放射線分解だけで維持できる可能性があることを発見しました。科学者たちは、地球上で微生物濃度が最大になる可能性が高い地域を特定しました。これは、将来のミッションの対象となる場所を導く可能性があります.
「それは私にとって本当に魅力的です」と稲垣は言いました。
