最近の研究は、地球上の生命の主要な構成要素が太陽の噴火に由来する可能性があることを示唆しています。 この研究は、地球の原始大気中のガスと衝突する太陽粒子が、タンパク質と有機生命体の基本要素であるアミノ酸とカルボン酸を生成できることを示しました。 NASA のケプラー ミッションからのデータを使用して、研究者は太陽からのエネルギー粒子が初期のスーパーフレア段階で大気と定期的に相互作用し、重要な化学反応を引き起こすことを提案しました。 実験的な再現により、アミノ酸とカルボン酸の形成において、太陽粒子は稲妻よりも効率的なエネルギー源であることが示されました。 クレジット: NASA/ゴダード宇宙飛行センター
新しい研究は、地球上で最も初期の生命の構成要素、すなわち[{” attribute=””>amino acids and carboxylic acids, may have been formed due to solar eruptions. The research suggests that energetic particles from the sun during its early stages, colliding with Earth’s primitive atmosphere, could have efficiently catalyzed essential chemical reactions, thus challenging the traditional “warm little pond” theory.
The first building blocks of life on Earth may have formed thanks to eruptions from our Sun, a new study finds.
A series of chemical experiments show how solar particles, colliding with gases in Earth’s early atmosphere, can form amino acids and carboxylic acids, the basic building blocks of proteins and organic life. The findings were published in the journal Life.
To understand the origins of life, many scientists try to explain how amino acids, the raw materials from which proteins and all cellular life, were formed. The best-known proposal originated in the late 1800s as scientists speculated that life might have begun in a “warm little pond”: A soup of chemicals, energized by lightning, heat, and other energy sources, that could mix together in concentrated amounts to form organic molecules.
Artist’s concept of Early Earth. Credit: NASA
In 1953, Stanley Miller of the University of Chicago tried to recreate these primordial conditions in the lab. Miller filled a closed chamber with methane, ammonia, water, and molecular hydrogen – gases thought to be prevalent in Earth’s early atmosphere – and repeatedly ignited an electrical spark to simulate lightning. A week later, Miller and his graduate advisor Harold Urey analyzed the chamber’s contents and found that 20 different amino acids had formed.
“That was a big revelation,” said Vladimir Airapetian, a stellar astrophysicist at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, and coauthor of the new paper. “From the basic components of early Earth’s atmosphere, you can synthesize these complex organic molecules.”
But the last 70 years have complicated this interpretation. Scientists now believe ammonia (NH3) and methane (CH4) were far less abundant; instead, Earth’s air was filled with carbon dioxide (CO2) and molecular nitrogen (N2), which require more energy to break down. These gases can still yield amino acids, but in greatly reduced quantities.
Seeking alternative energy sources, some scientists pointed to shockwaves from incoming meteors. Others cited solar ultraviolet radiation. Airapetian, using data from NASA’s Kepler mission, pointed to a new idea: energetic particles from our Sun.
Kepler observed far-off stars at different stages in their lifecycle, but its data provides hints about our Sun’s past. In 2016, Airapetian published a study suggesting that during Earth’s first 100 million years, the Sun was about 30% dimmer. But solar “superflares” – powerful eruptions we only see once every 100 years or so today – would have erupted once every 3-10 days. These superflares launch near-light speed particles that would regularly collide with our atmosphere, kickstarting chemical reactions.
40 億年前の若い太陽からのエネルギーは、地球の大気中に分子を生成するのを助け、生命を孵化させるのに十分な温度まで暖めることを可能にしました。 クレジット: NASA のゴダード宇宙飛行センター/Genna Duberstein
「その論文を発表するとすぐに、日本の横浜国立大学のチームから連絡がありました」と Airapetian 氏は述べています。
化学の教授である小林博士は、過去 30 年間、プレバイオティクス化学を研究してきました。 彼は、銀河宇宙線 (太陽系の外から飛来する粒子) が初期の地球の大気にどのように影響したかを理解しようとしていました。 「ほとんどの研究者は、粒子加速器などの特殊な装置が必要なため、銀河宇宙線を無視しています」と小林氏は言います。 「幸運にも、私たちの施設の近くでそれらのいくつかにアクセスできました。」 小林の実験装置に微調整を加えるだけで、Airapetian のアイデアが試される可能性があります。
Airapetian、小林、および彼らの共同研究者は、今日私たちが理解している初期の地球の大気に一致するガスの混合物を作成しました。 彼らは、二酸化炭素、窒素分子、水、および可変量のメタンを組み合わせました。 (地球の初期の大気中のメタンの割合は不明ですが、低いと考えられています。)彼らは、ガス混合物を陽子で発射するか(太陽粒子をシミュレート)、火花放電で点火し(稲妻をシミュレート)、比較のためにミラー・ユーリーの実験を再現しました。
メタンの割合が 0.5% を超えている限り、陽子 (太陽粒子) によって発射された混合物は、検出可能な量のアミノ酸とカルボン酸を生成しました。 しかし、火花放電 (雷) では、アミノ酸がまったく形成される前に、約 15% のメタン濃度が必要でした.
「そして、メタンが 15% であっても、雷によるアミノ酸の生成率は陽子による生成率の 100 万分の 1 です」と Airapetian は付け加えました。 陽子は、火花放電によって点火されたものよりも多くのカルボン酸 (アミノ酸の前駆体) を生成する傾向もありました。
太陽フレア、コロナ質量放出、太陽エネルギー粒子イベントを含む太陽噴火のクローズ アップ。 クレジット: NASA のゴダード宇宙飛行センター
他のすべてが等しい場合、太陽粒子は雷よりも効率的なエネルギー源であるように見えます。 しかし、それ以外はすべて同じではなかった可能性が高い、と Airapetian は示唆した。 Miller と Urey は、「暖かい小さな池」の時代にも、今日と同じように稲妻が一般的であると考えていました。 しかし、暖かい空気が上昇することによって形成される雷雲から発生する稲妻は、太陽が 30% 暗くなると、まれにしか発生しなかったでしょう。
「寒い状況では、稲妻が発生することはありません。初期の地球はかなりかすかな太陽の下にありました」と Airapetian 氏は言います。 「だからと言って、雷によるものではなかったと言っているわけではありませんが、今では雷の可能性は低くなり、太陽粒子の可能性が高くなったようです。」
これらの実験は、私たちの活動的な若い太陽が、これまで考えられていたよりも簡単に、そしておそらくより早く生命の前駆体を触媒した可能性があることを示唆しています。
参考文献：「若い太陽からの太陽エネルギー粒子による弱還元惑星大気中のアミノ酸とカルボン酸の形成」 小林賢生 伊勢純一 青木良平 木下美栄高橋、柴田裕美、三田肇、福田仁、小栗義行、川村公孝、ケブカワ ヨーコ、ウラジミール S. エアペティアン、2023 年 4 月 28 日、 人生.
DOI: 10.3390/life13051103