サイエンスカフェ in 静岡 2018/5/31 @B-nest

小惑星衝突による破壊と創造（ガス銃を用いた衝突模擬実験）
静岡大学 創造科学技術大学院（理学部・物理学科）
三重野 哲 (Tetsu Mieno )目標：社会に役立つ科学技術の研究成果を出す。
＊応用物理の実験研究

数学科・物理学科・化学科・生物科学科・地球科学科
1講演内容：
1：アーク放電を用いた炭素クラスター合成実験から、ガス銃を用いた衝突実験へ。
2：タイタン衛星への小惑星衝突による有機物・アミノ酸合成（ガス銃を用いた模擬実験）。
3：地球以外に生物がいるか？
4：地球における生命の始まりは？宇宙・第２のオアシスへ

伝えたいこと：
1：過去から未来へ、人類の得てきた科学知識は素晴らしい。
（特にこの２００年間）。
2：科学技術の問題解決が重要！
3：出席の方々からの意見交換よろしく！！

31-1：アーク放電によるフラーレン、ナノチューブの合成実験

サッカーボール型分子 C60

C70
サセックス大学のKroto博士（1996年、ノーベル化学賞）

金属入りフラーレン LaC82
参考書：究極のシンメトリー（白楊社）

ナノチューブ

NECの飯島博士

4開発したアーク放電合成装置

フラーレンの合成過程

ヘリウム
ガス中

低温 2000 ki
高温5000 k

C2C

J
J+-

炭素原料電極

熱対流

He

ガスアークにおいて、炭素原子が陽極から昇華して高温気相中で合成を起こす様子。

宇宙で観測されたフラーレン

小惑星衝突でフラーレンができる! ？

C60分子*惑星状星雲中で観測された赤外線スペクトル。 By J. Cami et al.: Science 329(2010)1180.

1−2：２段式軽ガス銃実験

ターゲット室

与圧室
鉄ター
ゲット

飛翔体
加速室

水素圧縮室

火薬爆発部

JAXA 宇宙科学研究所（相模原）・
２段式軽ガス銃

ターゲット室飛翔体
加速室

ターゲット室内、与圧室の様子。
（１気圧の窒素を充填）

与圧室

合成された炭素すすとフラーレン分析

C60分子の形状

100 nm電子顕微鏡画像ポリカーボネート弾→
鉄ターゲット (20℃）
。

TOF-MS質量分析結果

液体クロマトグラフ分析結果

鉄内包炭素カプセル（電子顕微鏡写真）

50 nm

ポリカーボネート弾→鉄ターゲット。常温。

50 nm

単層炭素ナノチューブ

50 nm

50 nm

ナノチューブ の直径や約 2 nm。ポリカーボネート弾→アルミターゲット。T~ - 62℃。

ポリマーシート

200 nm

ポリカーボネート弾→氷＋鉄ターゲット。T~ - 60 ℃）。

ポリマー？

100 nm金属とポリマーが炭素カプセルに閉じ込められている？

ポリカーボネート弾→氷＋鉄ターゲット。
T~ - 60 ℃。

2-1：タイタン衛星
カッシーニ探査機による土星探査
1997年打ち上げ、2004年到着（byNASA/ESA）#地球から13 億 km（6年の旅）

TITAN from NASA homepage

タイタン（土星の衛星）

タイタン：直径〜5151 km（月の約1.5倍）、約1.5気圧の窒素大気、表面温度〜90 K( - 183 ℃）、
平均密度〜1.88 g/cc
表面や大気にメタンが存在。

TITAN from NASA homepage

カッシーニ探査機によるタイタン観測

メタンの湖
窒素の大気と雲

赤外線画像（極地方のメタンの湖）

河川

入江や湖岸
NASAのHPより引用

表面（氷の岩）

ホイヘンスプローブによるタイタン観測
隕石クレーター

メタン液体の流れ

Images by Huygenes Probe (NASAのHPより引用)

窒素ガス
Surface reactions on Titan

隕石◎高層大気での紫外線反応で有機物合成。
◎小惑星衝突の高温反応で、アミノ酸、ニトリルの合成？
◎ 40億年前に隕石の大量爆撃！

By A. Coustenis: Space Sci. Rev. 116(2005)171.

有機物の蓄積タイタン表面での衝突反応モデル

C2 + N2 → 2CN
CH3 , COOH, NH3 などのラジカル分子種々の活性分子の発生

2-2) ２段式軽ガス銃によるアミノ酸合成実験

Target chamber

1) ポリカ弾（直径 7 mm)→鉄ターゲット2) ポリカ弾→水+鉄ターゲット
3) ポリカ弾→水＋ヘキサン＋鉄ターゲット
入射速さ：v~ 7 km/s

高速度カメラによる衝突の様子（与圧室の外部分）

与圧室
入口

氷＋鉄ターゲット衝撃温度と衝撃圧力の見積もり

ランキン・ユゴニオの関係式を使用。

◎ポリカーボネート弾 (速さ~ 7 km/s, 直径7.2 mm)◎鉄ターゲット。直径〜13 mm、深さ〜4 mmのクレーター。

衝撃圧力： P~ 75 万気圧
衝撃温度：T~ 4300 ℃
衝撃波速度：v~ 6.4 km/s

衝突発光スペクトル
ポリカーボネート弾→水＋鉄ターゲットnm

ガス温度、約5000 K、発光時間、約50 µs。

2-3) アミノ酸は合成されているか？
◎ 熱水抽出法＋ ダブシル化法＋液体クロマトグラフ分析◎ 加水分解法＋液体クロマトグラフ分析

与圧室表面に堆積した合成試料。

100 nm熱水抽出＋ダブシル誘導体化法
実験試料(5 ml)

標準アミノ酸・蒸留水 50 ml で還流・吸引ろ過による不純物除去
・濃縮

純水HPLC

ダブシル試薬によるダブシル化

液体クロマトグラフ分析

結果（氷＋ヘキサン＋鉄ターゲット）

実験試料と純水グリシンとアラニンのピークを検出。グリシンが 約 1.5 nmol/mg 存在する。
回収すす：11.9 mg。

加水分解処理法（横浜国大、小林研究室）（アミノ酸前駆体がアミノ酸になる。アミノ酸は、凝集体、重合体を作りやすい。たんぱく質の原料。）
１）試料を注意深く回収し、塩酸を加え、110℃で１日、加水分解処理。
２）陽イオン交換クロマトグラフ分析
３）OPAポストカラム誘導体化検出（蛍光検出）。

加水分解＋HPLC分析（横浜国大・小林研究室）
ポリカ弾 →氷+鉄ターゲット。

アミノ酪酸

フェニル
アラニン

ロイシン
イソロイシン

バリン
アラニン
グリシン
グルタミン酸
セリン
トレオニン
アスパラギン酸

アミノ酸含有量

多衝突
冷却過程

CN

グリシン

CHx
ガスプルーム
内の高温
化学反応

NH3
HCHO

アラニン

etc.

前駆体分子の結合

アスパラギン酸
29タイタンへの小惑星衝突を模擬した実験で種々のアミノ酸が合成できることが分かった！タイタン表面に多くのアミノ酸が蓄積しているのでは無いか？！将来の探査に期待！

アミノ酸含有量の比較
アミノ酸

マーチソン 水＋ヘキサ隕石
ン＋鉄(pmol/mg)(pmol/mg)

氷＋鉄(- 50 ℃,pmol/mg)

グリシン

24.5

1948402

Lアラニン

10.4

852

335

(マーチソン隕石データ@オーストラリア：
Engel & Macho, Nature 389 (1997) 265.)隕石 隕石 隕石

アミノ酸の蓄積

小惑星衝突の効果
１）衝突高温反応によりアミノ酸を合成。冷たくて暗い地表に蓄積
２）表面のアミノ酸をさらに反応させる。宇宙に拡散させたり、地下に送り込む。

地底の海

タイタンの地底の海の想像図。
NASAのHPより。

アミノ酸の鏡像異性体（キラル分子）はどうか？
1）鏡像アミノ酸の測定。
２) 生物の持つアミノ酸の大部分は L型。
３) 隕石に含まれるアミノ酸もL型過剰が多い。
４）なぜL型が多いか？生物はなぜ、L型アミノ酸を選択したか？

核酸塩基も合成されるか？
グアニン
シトシン

アデニン

チミン

(DNA, RNAの基 )3-1：地球外生命の可能性？

◎ 土星の衛星、タイタン（地底の海）◎ 木星の衛星、エウロパ（地底の海）◎ 土星の衛星、エンケラドス（地底の海）◎ 太陽系以外の衛星（Gliese 581- g、TRAPPIST-1など。赤色矮星。）

ケプラー宇宙望遠鏡

木星の衛星エウロパ

地底の海

NASAのHPより。

土星の衛星エンケラドス

地底の海

水噴出物に有機物があるか？
NASAのHPより。

太陽系以外の惑星と地球外生物の可能性
Gliese 581- g 衛星.
20光年の距離。

TRAPPIST-1 衛星.
39 光年の距離。赤色矮星。

NASAのHPより。

太陽系内で小惑星衝突は今も起きている！
木星へのシューメーカー・レビ
９彗星の衝突！1994年7月。

NASAのHPより。

4−１：地球生命の誕生はどうだったか？
a) 太古に宇宙より微生物として飛来した（パンスペルミア仮説）？
b) 有機物が宇宙より隕石と共に飛来して蓄積した？
c) 小惑星衝突が頻繁に起こり、地球表面で大量の有機物が合成され蓄積した？（隕石の重爆撃期）
d) 海底の熱水孔付近で有機物が反応して生命の起源を作った？
e) 太陽からの宇宙線が有機物を作った。

参考：生命の起源および進化学会のHP。
更科、「宇宙からいかにヒトは生まれたか」、新潮選書

人類哺乳類
5.3億年前陸上
カンブリア爆発生物

40億年前
原核 後期重爆撃期終了
生物 生命誕生動物

35億年前光合成開始

多細胞生物

真核 23億年前大気中の生物 酸素濃度上昇

Wikimedia より引用

熱水噴出孔が生命の起源か？
１）ガラクタワールドからの進化？
２）RNAワールドからの進化？

海底の熱水噴出孔
ストロマトライト（藍藻、オーストラリア）
参考：生命の起源（小林、講談社）

Wikipedia より引用

古細菌がまずは繁殖したか？
好熱菌、好塩基菌、メタン菌など。
＊酸素不要。光合成不要。

地上生物系統樹。生物の種は1000万以上と言われている。
地中、深海中にまだかなりの未知の種が居るといわれている。
Wikipedia より引用

まとめ
1）宇宙における小惑星が炭素を含む惑星／衛星に衝突し、種々の炭素化合物を作ってきた。タイタン表面は、その代表例であろう。
２) この模擬実験として、ガス銃を用いて窒素ガス中で衝突実験を行った。約50μs程度の寿命で、高温ガスプルーム発生。5000 K 程度の温度。CN, C2 分子の強い発光。
３）与圧室内に、炭素すすが堆積。この合成試料を純水還流し、液体クロマトグラフ法で分析。グリシン、アニリンなどのアミノ酸が合成されることを確認。
４）タイタン衛星表面に多くのアミノ酸が蓄積しているのでは無いか？
５）タイタンなどに地球外生命の可能性。
６）地球生命の誕生は謎が多い。
７）小惑星衝突は宇宙でこれからも起きる。第２のオアシスに期待する！
謝辞：大学院生の大河内君、中村君、関口君。
References：* K. Okochi, T. Mieno, S. Hasegawa, K. Kurosawa, Origin Life Evol. Biosphere 45 (2015) 195.
* T. Mieno, S. Hasegawa, K. Mitsuishi, Jpn. J. Appl. Phys. 50 (2011) 125102.