約 40 億年前、地球は夏の SF 大作映画のセットのようでした。地球の表面は、地獄のような小惑星の衝突から回復し、火山の噴火が頻発し、最も単純な生命体を維持するのに十分な栄養分が不足している、過酷で不毛な風景でした。
大気は主に窒素や二酸化炭素などの不活性ガスで構成されていたため、生命の構成要素である複雑な有機分子を形成するのに必要な化学反応は起こりにくかった。科学者たちは長い間、生命を形成し維持するのに必要なほど惑星の化学変化を可能にした主な要因の発見を模索してきた。
現在、新たな研究は、雷がどのように重要な火花として機能し、初期の地球の大気を化学反応の温床に変えたのかに焦点を当てている。 米国科学アカデミー紀要ハーバード大学の科学者チームは、雷によって引き起こされるプラズマ電気化学が、初期生命の出現と生存に必要な反応性炭素・窒素化合物の潜在的な発生源であることを突き止めました。
「生命の起源は化学が直面している未解決の大きな疑問の一つです」と、論文の主任著者であり、ウッドフォード L. およびアン A. フラワーズ大学化学・化学生物学部研究教授のジョージ・M・ホワイトサイド氏は述べた。「核酸、タンパク質、代謝産物」の基本的な構成要素がどのようにして自然に出現したかは、未だに解明されていない。」
ホワイトサイド氏によると、この疑問に対する最も一般的な答えの 1 つは、いわゆる RNA ワールド仮説にまとめられている。これは、水、可溶性電解質、一般的なガスなどの利用可能な形態の元素が最初の生体分子を形成したという考えである。研究者らは、研究で、雷が生体分子の出現と存続につながる利用可能な形態の窒素と炭素を提供した可能性があることを発見した。
雲対地雷とその結果生じる電気化学反応を模倣するために使用されるプラズマ容器。この装置では 2 つの電極が使用され、1 つは気相にあり、もう 1 つは無機塩が豊富な水に浸されています。
クレジット: Haihui Joy Jiang
研究者らは、初期の地球の状態を模倣し、落雷が地球の化学に与えた影響を研究できるプラズマ電気化学装置を設計した。研究者らは、数十億年前には一般的だった雲対地落雷に似た、気相と液相の間に高エネルギー火花を発生させることができた。
科学者たちは、模擬雷撃によって二酸化炭素や窒素などの安定したガスが反応性の高い化合物に変化することを発見した。二酸化炭素は一酸化炭素とギ酸に還元され、窒素は硝酸塩、亜硝酸塩、アンモニウムイオンに変換されることがわかった。
これらの反応は、気相、液相、固相の界面、つまり落雷によってこれらの生成物が自然に濃縮される領域で最も効率的に起こりました。これは、落雷によってこれらの重要な分子が局所的に高濃度に生成され、最も初期の生命体が発達し繁栄するための多様な原材料を提供した可能性があることを示唆しています。
「界面落雷について私たちが示したことを踏まえると、生命の起源コミュニティに、異なる分子のサブセット、異なる濃度、そして生命へのさまざまな考えられる経路を導入していることになります」と、共同筆頭著者でホワイトサイド研究所のポスドク研究員であるトーマス・C・アンダーウッドは述べています。「化学的に反応性のある分子を生成するメカニズムが 1 つと重要な中間体が 1 つあると言うのではなく、生命への経路に寄与した可能性のある反応性分子が 1 つ以上ある可能性が高いと示唆しています。」
この発見は、紫外線、深海の噴出孔、火山、小惑星の衝突など、他のエネルギー源も生物学的に重要な分子の形成に寄与した可能性があることを示唆する以前の研究と一致しています。しかし、雲対地雷のユニークな利点は、大気、海洋、陸地を結び、さまざまな界面にわたって高電圧の電気化学反応を駆動する能力です。
この研究は、生命の起源の謎に重要なピースを加えるものです。雷がどのようにして必須栄養素の供給に貢献したかを示すことで、この研究は地球上の生命の出現につながった化学経路を理解するための新たな道を開きます。研究チームはこれらの反応の調査を続け、生命を可能にした初期の状況についてさらに解明し、現代の応用を改善したいと考えています。
「私たちの研究を基に、現在、プラズマ電気化学反応が製品中の窒素同位体にどのような影響を与えるかを実験的に調べています。これは地質学との関連性がある可能性があります」と、ホワイトサイド研究室の元ポスドク研究員で共同筆頭著者のハイフイ・ジョイ・ジャン氏は述べた。「私たちはまた、化学品製造におけるエネルギー効率と環境に優しい観点からもこの研究に興味を持っています。私たちは、化学物質を製造する新しい方法を開発し、今日使用されている肥料の製造などの環境に優しい化学プロセスを推進するためのツールとしてプラズマを研究しています。」
ハーバード大学の共著者には、天文学部のディミタール・D・サセロフ教授、化学・化学生物学部、地球惑星科学部、ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学大学院のジェームズ・G・アンダーソン教授が含まれています。
この研究は、過去を明らかにするだけでなく、他の惑星での生命の探索にも影響を与える。研究者らが説明したプロセスは、地球外生命の出現に寄与する可能性がある。
「木星と土星では雷が観測されています。プラズマとプラズマ誘発化学反応は太陽系外でも存在する可能性があります」と江氏は言う。「今後、私たちの装置はさまざまな惑星の環境条件を模倣するのに役立つだけでなく、雷とその類似物によって引き起こされる反応経路を調査するのにも役立ちます。」