宇宙での生命の起原と進化
山岸明彦
東京薬科大学生命科学部

Are we alone in the universe?
生命は、宇宙で我々だけか？

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アストロバイオロジー• 天文学• 惑星科学、地球物理学• 地球化学、化学進化• 地学的証拠• 生化学的研究• 熱水地帯の微生物生態• 遺伝子の証拠、分子進化学• 宇宙での微生物探査• 知的生命体探査3

火星表面におけるメタン酸化菌探査
MELOS 生命探査計画

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MELOS Life Search Plan: Japan Astrobiology
Mars Project (JAMP): Search for Microbes
on the Mars Surface with Special Intereist inMethane-oxidizing Bacteria
MELOS: Mars Exploration with Lander
Orbiter Synergy
Preparing mission definition, targeting tolaunch on 2020•

•A. Yamagishi [1], Y. Yoshimura [2], A. Miyakawa [12], S. Araki [6], T. Satoh [3],M. Yamashita [3], T. Kubota [3], G. Ishigami[3], T. Fujita H[3]. Yano [3], J.
Haruyama [3], M. Tabata [3], K. Kobayashi[4], H. Honda [5], Y. Utsumi [6], T.
Itoh [7], K. Hamase [8], T. Naganuma [9], S. Sasaki [10], H. Miyamoto [11]And MELOS Life Search Subgroup5そもそも微生物がいるか？

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チリ、アタカマ砂漠

玉川大学 吉村7

アタカマ砂漠の微生物
図12

図15

微生物密度104細胞/g
SYBR Green

図13

玉川大学吉村8南極

写真提供：小川麻里先生（安田女子大学）

南極の氷

写真提供：小川麻里先生（安田女子大学）

南極の氷の微生物

培養

蛍光顕微鏡写真 培養された酵母の顕微鏡写真
Microorganisms stained by SYBR GOLD

地球でアタカマ高地砂漠
南極砂漠
南極雪原

細胞密度 104細胞/ｇ土壌（氷）Vikingの検出感度は 107細胞/ｇ土壌（Pyrolysis ppb Glavin et al. 2001）
12

今後の生命関連探査計画• MSL のSAM (Sample Analysis at Mars) は有機化合物をGC-MSで分析予定• The European Space Agency’s のExoMars
はっ生体関連分子を抗原抗体反応で分析予定• 我々は火星表面で、蛍光顕微鏡を用いて、微生物、特にメタン酸化細菌を分析する計画を提案する。

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地球微生物の生存限界と火星表面環境
FactorLimit for terrestrial lifeMarsGravity~ 0 to unknown higher g

0.376 gTemperature

Active from -20oC to 122oC-87oC to -5oC or 20 oC?

Pressure

Survivable lowest: unknown
Survivable highest: 1.6 Gpa

Atmosphere 0.6 kPa(ca. 6/1000 of Earth)VacuumSurvivable

0.4 kPa

Salinity (NaCl%)

0 to >30% (saturation)

Evaporites

Water activity(Desiccation)~ 0.6 (bio-activity)~ 0 (survival)~01440 Gy

0.4 mGy day-1-0.06 to 12.5

7.7±0.5

Limits undefinedHighly oxidizing~ 5000 J m-2~ 20 W m-2

Ionizing radiation
pHRedox potential
UV radiation

UV は土壌で遮蔽される14生命の生育のため• 水：液体の水は細胞の中には必要だが、細胞の外に大量の水はいらない。
• 自由エネルギー– 還元型物質（有機物、水素、硫黄、メタン）– 酸化型物質（酸素、硫酸、酸化鉄）• 活動は局所で良い• 生育した微生物菌体は火星を飛び回る可能性がある。
15

火星ではメタンが出ている

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メタン酸化鉄−細菌が発見された。
Manganese- and Iron-Dependent
Marine Methane Oxidation
Emily J. Beal,1* Christopher H. House,1* Victoria J. Orphan2
Anaerobic methanotrophs help regulate Earth’s climate and may have been an importantpart of the microbial ecosystem on the early Earth. The anaerobic oxidation of methane(AOM) is often thought of as a sulfate-dependent process, despite the fact that otherelectron acceptors are more energetically favorable. Here, we show that microorganisms
from marine methane-seep sediment in the Eel River Basin in California are capable ofusing manganese (birnessite) and iron (ferrihydrite) to oxidize methane, revealing thatmarine AOM is coupled, either directly or indirectly, to a larger variety of oxidants thanpreviously thought. Large amounts of manganese and iron are provided to oceans fromrivers, indicating that manganese- and iron-dependent AOM have the potential to beglobally important.

10 JULY 2009 VOL 325 SCIENCE, 184-187
17火星では何を食べる

メタン
酸素はどうする？

メタン
メタン
メタン
酸化鉄

土壌をすくい取って18

メタン酸化菌
メタン酸化菌はメタン菌（メタン生成菌）とは別。
メタン酸化菌の生育は、火星表面。
メタンの起源を問わない。
現在メタンがでていれば良い。
メタン酸化菌以外の可能性
何らかの地熱活動があれば化学合成細菌
液体の水があれば低栄養細菌等

生育した菌があれば、空中を頒布する可能性あり。
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目的

火星表面に生命はいるか。
地球型生命との関係は。
火星表面に有機物はあるか。
ダストの顕微鏡画像をとる。
火星表面で土壌をシャベルです
くって、シャーレにのせ蛍光顕微鏡で自動観察して画像を地球に転送
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何を検出して生物と言うか• 生物の定義
複製する
境界を持つ
代謝する
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検出可能な特徴
特徴

分子種

蛍光色素

遺伝情報

核酸

SYBR Green I and II, SYBR Gold,Acridine orange, DAPI, etc.

代謝

酵素反応

CFDA, CFDA-AM, SFDA, etc.

細胞膜脂質膜ANS, FM1-43, FM4-64, etc.

非生物的合成等

アミノ酸

Fluorescamine, etc.

Antarctic ice
stained by SYBR Gold

Alpine soil
stained by CFDA-AM

Antarctic soil
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stained by FM4-64

DNAを持たない大腸菌を検出（黄色矢印）
Staining of miniature Escherichia coli P678-54(a)(b)

Bright field

Fluorescent field
Microscopic images of P678-54. (a): brigt image, (b):fluorescence image stained with
LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (SYTO9 & PI)
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模擬火星土壌中の微生物 (JSC MARS-1A)

(a)

(b)

Fluorescence images of JSC Mars-1A. (a): autofluorescence, (b): stained with LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (SYTO9 & PI)
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A

B

10μm

10μm

FE

DC

10μm

10μm

H

G

10μm
10μm

10μm

Fluorescence images of Antarctica soils stained with various probes.
(A): LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (SYTO9 & PI), nucleic acids probes (NP). (B):
CFDA, esterase substrate probe. (C): DiHydroethidium, NP. (D): TMADPH, membrane probe(MP). (E): SYBR GreenⅠ, NP.(F): Acridine orange, NP. (G): DAPI, NP. (H): FM1-43, MP.

10μm

2.1 色素開発

顕微鏡観察• できる限り多くの存在可能性のある粒子の識別– DNA生物、RNA生物、タンパク質生物– 複雑有機物（プロティノイド、ソーリン）– PAH（ケロジェン）– 鉱物？（紫外蛍光での撮像）• 検出感度– 4cmφの時、 12cm2 に10細胞 焦点深度 0.01mm– 103 細胞/ｇ土壌

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微生物
• メタンー鉄酸化細菌をターゲットとする。
• 顕微鏡：小型、高感度、スペクトル測定• 総合蛍光組み合わせ同時観測カクテルで生物らしいものを検出する• 岩、氷、の場合には粉砕が必要だが、粉砕は考えなくても良い。固まりの中にはいない。

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何を分析するか １.
蛍光による検出；
生命の定義に基づく検出
DNAおよびstackingする塩基：
SyberGreen等
タンパク質、「がらくた」プロティノイド等：
acridineオレンジ
酵素反応：分解性蛍光色素
境界：膜透過性あるいは膜28どれ位、掘るか• 微生物１μｍ、水は一滴でも十分• 水は細胞の中だけでも良い（かもしれない）• メタン酸化で水ができる。
• 紫外線は５μｍで遮蔽される。
• γ線、太陽風は３ｍｍのアルミで遮蔽される• 微生物（D.radiodurans)はヒトの200倍放射線耐性• どれ位、土壌が攪拌されるかが問題• 多分 １０cmで大丈夫• いったん誕生した生命は適応する• メタン噴出孔の周辺は還元的
29

有機物検出は• 固体：土壌の粒度が問題だが、• 顕微蛍光で先ず検出する。
• 分別して集めた後• 再度、正確な蛍光分析• 抽出、加水分解、アミノ酸分析

30ありうる有機物• 複雑有機物– Millar type非生物合成– 宇宙塵由来• 過去の生物の遺物– ケロジェン

• 微生物31

３．運用・連携

ローバーでの運用• 土壌アームで採取、観察 25 mmφ– 微生物104 細胞/g土壌– 土壌中有機物104個宇宙塵（ソーリン）/g土壌• 入口開放（一ヶ月）、入口120 mmφ– ダスト、ダスト中のソーリン– 3 x 102個の宇宙塵（ソーリン）感度は10個– 紫外線による変成速度測定– ダスト中の微生物• 別の蛍光板とCCDでダストの常時モニタも可第二段階アミノ酸探査

33

生命探査第二段階:アミノ酸分析
地球生物：70% 水, 15% タンパク質、7% 核酸、3% 多糖類.
タンパク質 (アミノ酸重合体) ：分子種：1000-10000 種類
分子量：1000-1,000,000
加水分解により20 種類のアミノ酸、分子量１００－３００.

生命探査第二段階:アミノ酸分析
加水分解後:
20種のアミノ酸: 地球 (あるいは地球外) 由来
20種より多い、少ない、違う: 地球外由来．
隕石に似た種類: 非生物起原.
光学活性解析
すべてL型:地球 (あるいは地球外) 由来.
DL混合:非生物起原.
すべてD型:地球外由来.

JAMP: 火星での生命探査計画• 生存している微生物をターゲットとする• これまで主に液体の水を探してきた。
• 自由エネルギーを探す：
酸化鉄＋還元物質（メタン）• メタン発生地帯• 火星表面で自動で蛍光顕微鏡観察• 火星表面で自動で加水分解アミノ酸分析36

メタンがどこからでているか第一段階
メタン発生地の探査絞り込み
メタンガス、火山ガス発生地帯のアナロジーからメタンガスは割れ目、孔から噴出、その周辺にメタン酸化鉄細菌がいる可能性が高い。酸化鉄の還元により二価鉄の沈着が起きているはず。
メタンガス噴出地域の同定が重要
熱が同時に放出される可能性大38

絞り込みのための方法の選択肢••
•
•••
•
••

火星既存情報あるいは地球、周回での探査
地上からのメタン濃度観測
高温の場所を探査
２価鉄を分光学的に探査
ExoMars Orbitor メタン濃度探査 ２０１６年打ち上げ予定
・ローバーで探査
メタン濃度測定
画像（解像度１０ｃｍ、カラー）
赤外線画像

39

どういう場所にメタン酸化菌がいるか：
噴気孔：地球では火山地帯（地球では硫黄酸化細菌）

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Maccalube mud volcano in italy
G. Etiope
Oil and Gas Business.

MUD VOLCANOES AS EXPLORATION TARGETS ON MARS.
Astrobiology Science Conference 2010
C. C. Allen and D. Z. Oehler (NASA Johnson Space Center)

Figure 1. Mud volcano in Acidalia
Planitia; HiRISE PSP_002233-2225;
42.1o N, 319.3o E; scale bar 200 m.

Figure 2. Mud volcano in Azerbaijanwith nearly flat, pedestal-like surface
and central high-albedo, sub-circular patch;
40.4o N, 49.0o E; scale bar 1 km.

Recent results by PFS
Methane mapping:with season
Thesource

V.FORMISANOMethane

THEMIS Day IR

Night IR MOLA Shaded Relief昼も夜も熱いのはなぜ？

MOLA Shaded Relief

THEMIS Day IR

THEMIS Night IR45メタンプルーム探査
2400 km x 800 km

30 ppb
10 km?

噴出孔の開口面積が240m x 240mならば、100%46酸化鉄(II)の光学的検出？
• 酸化鉄(II)は黒色粉末（FeO）。鉱石としてはウスタイト(Wüstite)が知られている。
• あるいはolivine (Mg,Fe)2SiO4.

Peridotite xenoliths in basalt--olivines are light green crystals.
Location: San Carlos Indian Reservation, Gila Co., Arizona,USA.

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生命探査の可能性を上昇させる手段
既存データでの解析• 熱の放出地帯の可能性（THEMIS)• 火山活動の可能性（地形）• メタン発生地帯の可能性– 地形、色（黒、緑）、鉱物（マグネタイト等）• 液体の水の可能性（地形）生命探査の可能性を上昇させる手段
地上での火星メタン測定
Searches for volcanic or crustal gas in the recent Martianatmosphere by ground-based observation 2012
• H. Nakagawa, Tohoku University, Sendai, Japan• Y. Kasaba, Tohoku University, Sendai, Japan• S. Aoki, Tohoku University, Miyagi, Japan• I.Murata, Tohoku University, Sendai, Japan• S. Okano, Tohoku Univ., Sendai, Japan• H. Maezawa, Solar-Terrestrial Environment Laboratory,Nagoya University, Japan• H.Sagawa, NiCT, Tokyo, Japan• Y.Kasai, NIICT, Tokyo, Japan

生命探査の可能性を上昇させる手段
火星オービターでのメタン測定• The ESA-NASA ExoMars Programme:
ExoMars Trace Gas and Data Relay Orbiter
2016– The ESA-led Orbiter will perform detailed,remote observations of the Martian atmosphere,
searching for evidence of trace gases ofpossible biological importance, such as
methane and its degradation products.

まとめ• 着陸地の検討；地熱活動、水、メタン• 微生物の蛍光顕微鏡観察• アミノ酸分析• 探査対象– 微生物（現在）– 有機物（過去の生物、宇宙由来）

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参考文献
• Glavin, D. P.; Schubert, M.; Botta, O.;
Kminek, G.; Bada, J. L, 2001: Detecting
pyrolysis products from bacteria on Mars,
Earth and Planetary Science Letters, 185, 1-5• Emily J. Beal1, Christopher H. House, andVictoria J. Orphan., 2009: Manganese- andIron-Dependent Marine Methane Oxidation,science, 325, 184-187
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