226

日本惑星科学会誌 Vol. 18, No. 4, 2009

隕石の海洋衝突による初期地球の有機物生成

古川 善博 ，関根 利守 ，大庭 雅寛 ，掛川 武 ，中沢 弘基
1

2

1

1

2

2009年10月7日受領，2009年11月9日受理．

（要旨）生命の構成物質である，アミノ酸や核酸塩基，糖などの生物有機分子が生命誕生前の地球にどのように誕生したのかということは，生命起源解明の根幹を成す課題である．本稿では初期地球における隕石の海洋衝突による生物有機分子の生成について解説する．地球外物質の初期海洋への重爆撃は，後期重爆撃と呼ばれる38－40億年前に起きたと考えられている．著者らはこの現象を実験室で再現し，鉄，ニッケル，アモルファス炭素，水，窒素から有機物が生成するかどうかを明らかにするための衝突回収実験を行った．実験の結果，多種のカルボン酸，アミンおよびグリシンが生成することが明らかになった．この結果と衝突実験条件および有機物生成過程から隕石の後期重爆撃による生物有機分子の生成という，生命起源物質の新たな生成過程を示唆することとなった．

1. はじめに造を成したものである．一方，自己複製機能とは，細胞分裂や生殖により自己の遺伝情報を複製することで本論文では隕石の海洋衝突による生物有機分子の生あり，現在の生物の遺伝情報は，核酸に記録され伝え成実験に基づき天然の隕石海洋衝突によって起こる有られる．核酸は，糖とリン酸，核酸塩基からなるヌク

機分子生の成条件を明らかにする．はじめに第1章では，レオチドの重合体であり，糖の違いにより2種類存在

生命はいつ誕生したのか，生命誕生に必要な有機分子する．糖がリボースのものはリボ核酸
（RNA）
，糖が

とはどのようなものか，生命起源有機分子の生成に関

デオキシリボースのものをデオキシリボ核酸（DNA）

してはどこまで理解されているのかなどの生命起源有と呼ばれる．現在の生物では，遺伝情報はDNAに記

機物の生成に関する研究背景を解説し，それらを踏ま録され，RNAは生体内でDNAを鋳型にタンパク質をえて著者らの研究ではどのような現象に着目し研究を合成する媒体として働いている．また，生体膜もタン行ったのかという背景を述べる．

パク質や核酸などの生物活動に重要な物質を包み込み，

1.1

生命とその構成物質

個体を形成する重要な構成要素である．生体膜は，主に脂質とタンパク質から構成されている．このように，ある有機物複合体が，生命であると考えられる重要タンパク質や核酸，生体膜などの生体高分子を構成すな必要条件は，それが代謝機能と自己複製機能を持る，アミノ酸や核酸塩基，糖，脂肪酸などの生物有機

ち，外界から独立した個体であることである．代謝と分子は，生命の起源において非常に重要な物質である．

は，生体内の化学反応で，生命は代謝によってエネルギーを得る．この代謝反応を引き起こす触媒が酵素で1.2

生体高分子の形成過程

あり，酵素は主にタンパク質からできている．さらに，

生物有機分子から生体高分子が生成する過程も，古このタンパク質は20種類のアミノ酸の重合体が三次構くから研究が行われている．1936年，A. I. Oparinは著書“Origin of Life”の中で，最初の生命は単純な有1. 東北大学大学院理学研究科
2. 物質・材料研究機構
furukaway@m.tains.tohoku.ac.jp

機物が複雑な物質へと進化して誕生したという，化学進化説を発表した[1]．その後，タンパク質や核酸の隕石の海洋衝突による初期地球の有機物生成／古川，関根，大庭，掛川，中沢227

図1： 化学進化の概念図
単純な生物有機分子が重合し，複雑な生体高分子を形成し，生命誕生へとつながる．

構造が明らかになったことから，生命誕生前の地球に一方，ヌクレオチドを重合させポリヌクレオチドを

アミノ酸，核酸塩基，糖，脂肪酸などの単純な有機物

合成しようとする研究も行われており，特定の有機触が生成され，これらが脱水重合し，タンパク質や核酸，媒（イミダゾール）の存在のもとで単量体から40量体程

生体膜が形成され，さらにはタンパク質，核酸が膜に度の重合に成功した研究もある [7]．しかし，糖が熱包まれ最古の生命が誕生したと考えられるようになっに弱く不安定なため，有機触媒なしには反応がほとんた（図1）．この化学進化説のうち，生物有機分子の重ど進まない．また，一部のヌクレオチドは有機触媒が合による生体高分子生成に関しては，現在でも多くのなければ，核酸塩基，糖，リン酸から合成できていな研究者に支持されている．そのような重合反応を実験いものすらあることは重大な問題である．

的に検証するため，太古の地球で起こりうる条件のもとで, アミノ酸やヌクレオチドなどの生物有機分子の1.3

生命誕生の時期に関する地質学的制約

脱水重合に関する研究が行われてきた．アミノ酸の単地球はその形成時に微惑星の激しい集積により，表量体を多量体に重合させる研究は，主に干潟や海底熱層は一時的に溶融し，マグマオーシャンが形成された

水環境，海洋底堆積物環境を模擬して行われており，と考えられている [8,9]．マグマオーシャンが冷え固ま

海底熱水環境を模擬した研究ではグリシンを6量体まり，さらに温度が下がると，大気中の水蒸気が液化し，で重合させた研究がある [2]．海洋底堆積物環境での海洋が形成される．西オーストラリアのジャックヒル

アミノ酸重合は中沢により提案され，これを基にした地域から産出する，砕屑性堆積物に含まれるジルコン

模擬実験ではグリシンに加熱加圧を行い，グリシンがのU-Pb年代と酸素同位体比は，約44億年前の地球に10量体まで重合することが確かめられている [3-5]．こは既に海が存在したことを示唆している [10]．生命をの程度のペプチドはタンパク質として酵素活性を有構成する生物有機分子が数百度の熱で分解してしまう

するにはまだ短いが，10量体程度のペプチドの中には，ことから，マグマオーシャンが存在するような地球で水溶液中で安定な立体構造を形成できる最小のタンパ

は，生命はおろか生物有機分子も存在し得ないと考えク質として報告されているものもある [6]．

られる．

228

日本惑星科学会誌 Vol. 18, No. 4, 2009

マグマオーシャンが冷えて海洋が生成された頃の地

アミノ酸や核酸塩基の生成に成功している [18-20]．し

球の大気は，マグマオーシャンから脱ガスした成分でかし，現在では上述の通りマグマオーシャンからの脱構成されたと考えられている．それら脱ガス組成に関ガスと水素の散逸により，初期地球の大気は二酸化炭

1する先行研究はいくつかあるが，QFMバッファー を

素と窒素を主成分とする，弱酸化的な大気であったと仮定し，水素の散逸を考慮して計算した多くの先行研考えられている．このような弱酸化的な大気を模擬し究は，初期地球大気が二酸化炭素と窒素を主成分とた混合気体には，放電や衝撃波などのエネルギーを加する弱酸化的な大気となることを示唆している [11,12]．

えても，生成物からはアミノ酸が，汚染物と区別がつ

近年はこの二酸化炭素，窒素大気に少量の水素が存在かない量しか検出されないことが分かっている [21,22]．

することを示唆する研究も報告されている [13]．
一方，最古の生命の痕跡を探る研究は地質学の分野

1.5

隕石の後期重爆撃による金属鉄の供給で盛んに行われてきた．生物の死骸は，地層の堆積に探査機が月面から持ち帰った月の試料の分析と，月より地下に運ばれるとともに温度，圧力を伴う変成をの ク レ ー タ の 年 代 分 布 か ら， 月 に は38－40億 年 前受け，徐々に水素や酸素などの元素が離脱し，ケロジに隕石が激しく衝突した時期があったと考えられ

ェンと呼ばれる物質になる．さらに深度が増すと，高て い る [23,24]． こ の 現 象 は 後 期 重 爆 撃（Late Heavy

温高圧の変成を受け，やがてグラファイトさらにはダ

Bombardment）と呼ばれている．地球は月に近く月よ

イヤモンドになる．現在の地球上で見つかっている最りも重力の大きな星であるため，月で起こった後期重古の堆積物は，グリーンランドのイスア地域に分布す

爆撃は地球にも起こっていたと考えるのが自然であり，る約38億年前のタービダイト堆積物（乱泥流堆積物）

地球にも38－40億年前に地球外物質の重爆撃が起こっである [14]．この中には生物起源を示唆する炭素同位たと考えられている [23,24]．後期重爆撃と大気組成の体比をもつグラファイトが見つかっている．オースト

関係については，いくつかの先行研究があり，鉄隕石

ラリアのピルバラ地域に産出する，約35億年前の流体の衝突飛散物質の再突入現象でメタンが生成すること

包有物を含む堆積岩から抽出した物質の炭素同位体比が示唆されている [25]．また，後期重爆撃の隕石が炭は，メタン生成菌の存在を示唆している [15]．堆積岩

素質隕石であったと仮定すると，後期重爆撃が大気組

中から見つかる炭素様物質が生物の痕跡であるかどう

成全体をやや還元的にするほどの影響をもたらしたとかを識別するため，それらの形，炭素同位体，抽出性

いう計算結果も報告されている [26]．

有機分子による研究が行われてきた．しかし，これら

後期重爆撃で，実際のところどのようなタイプの隕の手法だけでは決定的な証拠とは言えず現在でも多く石が衝突したのかは明らかになっていないが，現在のの議論がなされている．初期海洋形成の時期と最古の地球で見つかる隕石は普通コンドライトが圧倒的に多生命の痕跡から，生命を構成する生体有機分子の誕生い（86%）[27]．普通コンドライトは金属鉄を含む隕石は，約42億年前から38億年前の間，または遅くとも約であり [28]，この隕石が海洋に衝突し，鉄の酸化反応

30億年前までであったと考えられる．

が起これば，水素が発生し，隕石の衝突蒸気雲内に局

1.4

初期地球環境での生物有機分子の生成研究

所還元環境が形成されるであろう（1）．また，衝突蒸気雲内には周囲の大気も取り込まれ，蒸気雲内の物質

1953年にS. L. Millerは当時，推定されていた初期地と相互反応を起こすことが，実験と数値計算の結果に球の大気組成であるメタン，アンモニア，水蒸気の混より示唆されている [29,30]．さらに，衝突蒸気雲に取合気体（還元的大気）にアーク放電を行い，数種類のアり込まれた窒素が，隕石鉄により還元されれば，アンミノ酸を合成することに成功した [16,17]．この研究をモニアを生成するということが，隕石の海洋衝突現象

皮切りに，多くの研究者が還元的大気に熱，紫外線，を模擬した衝突実験によって，示唆されている（2）[5]．

衝撃波などのエネルギーを加える実験を行い，数種の1. QFMバッファー : Quartz（SiO2）－Fayalite（Fe2SiO4）－
Magnetite（Fe3O4）の共存により，系内の酸素分圧が緩衝され，その平衡状態が保持されること．

Fe + H2O → FeO + H2

（1）

3Fe + 3H2O + N2 → 3FeO + 2NH3

（2）

隕石の海洋衝突による初期地球の有機物生成／古川，関根，大庭，掛川，中沢229

図3： 一段式火薬銃
衝突回収実験に使用した衝突装置は物質・材料研究機構に設置されている横型の一段式火薬銃を使用した．

図2： 衝突回収実験試料容器の断面図
衝突回収実験に使用した試料容器はステンレス鋼製で，衝突面の厚さは3 mmである．この容器は気密性を保つため，二重のねじを持つ設計になっている．試料は衝突面側の内壁に張り付いている．

面衝撃波を発生させる．この衝撃波が試料に伝播し衝

普通コンドライトには，グラファイトやダイヤモンド

然の衝突現象とは衝撃圧縮の持続時間，試料の量，衝などの無機炭素が 1 wt% 程度含まれている [31]．こ撃波通過後の試料室の圧力など，いくつかの異なる点

れらのことから，無機炭素が局所還元的な衝突蒸気雲が存在する．

突条件を再現する．この実験は，試料を汚染することなく回収するということを重視した実験であるため，出発試料は，密閉容器に封入している．このため，天で反応すると有機物が生成する可能性が，中沢により出発試料の量は試料容器の容量により制限されてい「有機分子ビックバン説」として提案された [5]．しかし，る．このため，この実験ではケイ酸塩鉱物を含まない

海洋衝突を模擬した無機物からの有機物生成はそれま

模擬隕石物質を出発試料として用意した．また，隕石で報告されていなかった．

の海洋衝突現象に関わる炭素源は，隕石に含まれる無機炭素と大気中の二酸化炭素が候補となるが，無機炭2. 隕石の海洋衝突模擬実験

素の方が二酸化炭素に比べ還元的であるため，隕石中の無機炭素が有機物生成の炭素源として大きく寄与

第2章では著者らが行った隕石の海洋衝突による生すると考え，出発試料中のガスには二酸化炭素を含物有機分子の生成実験の手法と結果を詳しく解説する

まないものを用いた．出発試料のうち，アモルファ[32]．

ス炭素は C を用いた． C は天然の存在量が C の

13

13

12

13

2.1

実験および分析手法

約 1/100 であることから， C を炭素源に用いて有機物合成を行うと，質量分析計で検出した有機物が実験

鉄を含む隕石が，窒素に富む大気を持つ初期地球の生成物なのか汚染物なのかを明瞭に区別できる．出海洋に衝突する現象を模擬するため，一段式火薬銃（図

発試料の詳細は表1に示す．試料はSA007 : アンモニ2）を用いて衝突回収実験を行った [33]．衝突回収実験

アを含まない海洋衝突模擬，SA004 : アンモニアを含とは，金属製の頑丈な容器に出発試料となる試料を封む海洋衝突模擬，SA006 : 対照試料の3種類用意した．

入し，高速に加速した金属製の飛翔体をこの試料容器

SA004は，先行研究で隕石の海洋衝突によりアンモニに衝突させ，その後に，試料容器から生成物を回収す

アが生成することを考慮したものである．

る実験である．この研究では，ステンレス製の試料容

実験後の試料容器は，その表面を研磨し，超純水や器と飛翔体を用いた（図3）．実験では，およそ0.9 km/

有機溶媒で洗浄し，液体窒素に浸して内部の物質を固sに加速した飛翔体を試料容器に衝突させ，容器に平化した後，速やかに試料室まで小さな穴をあける．そ230

日本惑星科学会誌 Vol. 18, No. 4, 2009
表1：実験条件と生成物の収率．[furukawa et al., 2009 を一部改編]

実験番号

出発試料

生成物
(pmol)Fe（mg）Ni（mg）13
C（mg）
H2O（mg）
NH3aq（mmol）
N（μmol）
2
衝突速度（km/s）
13
C-酢酸
13
C-プロピオン酸
13C-ブタン酸13C-ペンタン酸
13C-ヘキサン酸
13C-2-メチルプロピオン酸
13C-メチルアミン
13C-エチルアミン
13
C-プロピルアミン
13C-ブチルアミン
13
C-グリシン

SA004
200
20
30
130
1.95
15
0.9
2200
1020
136
22
tr.
D
16700
945
89
tr.
24

SA007
200
20
30
130
0
15
0.9
1360
440
88
24
ND
D
7430
280
12
ND
ND

SA006
200
20
30
0
0
15
0.9
NA
NA
NA
NA
NA
NA
ND
ND
ND
ND
ND

の後ただちに，試料容器を超純水に浸し，水溶性のgies Inc）を 用 い て 分 析 を 行 っ た．LC/MS 分 析 で

有機物を水で抽出する．抽出溶液は，カルボン酸分析

は，分離カラムとしてシリカゲルカラム（Atlantis T3;

用，アミン分析用，アミノ酸分析用に 3 分割した．カWaters Corp.），溶離液として 10mM ギ酸アンモニウ

ルボン酸分析は，ガスクロマトグラフ/質量分析計

ムとアセトニトリルを用いて試料を分離し，ESI法に（GC/MS, 6890; Hewlett-Packard Co.）で行うため，生より一価のプロトン付加陽イオンとしてイオン化し，成物を有機溶媒に溶解した状態にする必要がある．こ四重極型質量分析計で検出した．また，衝突試料容器のため，カルボン酸分析用の抽出液にはまず，水酸内の固体試料は，減圧乾燥後，回収して粉末X線回折

化ナトリウムを加えた後，水分を蒸発させ，カルボン法（XRD）
により物質同定を行った．

酸ナトリウム塩として回収した．次に，この塩に分析溶媒であるジクロロメタンを加えた後，アミノ酸分析

2.2

実験結果

用希塩酸を加えてカルボン酸を遊離する．この一連アンモニアを含まない試料（SA007）のカルボン酸抽の操作で，生成物中のカルボン酸はジクロロメタン

出液分析により得られた GC/MS クロマトグラムを図に溶けた状態になり，GC/MS で測定可能となる．ア4に示す． C で構成される酢酸，プロピオン酸，2-メミンは液体クロマトグラフ/質量分析計（LC/MS, 2695

チルプロピオン酸，
ブタン酸，
ペンタン酸が検出された．

separation module; Waters Corp. and Quattro micro

アンモニアを出発試料に含む実験（SA004）では，上述

API; Waters Corp.）を用いて分析を行う．カルボン酸のカルボン酸に加え，微量のヘキサン酸の生成も確認

分析と同様の原理でアミン分析用抽出液を濃縮するたされた．カルボン酸の生成量は，アンモニアを含む試

め，塩酸を加えてアミン塩酸塩をつくり，乾燥させた料の方が一様に高く，両試料で炭素数の増加に伴い指後，少量の水酸化ナトリウム水溶液に溶解させた．ア

数関数的に減少する．炭素数が最も少ないカルボン酸

ミノ酸は不揮発性であるため，減圧乾燥して濃縮しであるギ酸は検出されていないが，これはギ酸の揮発た．LC/MS によるアミン，アミノ酸分析において性が非常に高いために，濃縮操作中に揮発してしまっは，良い分離を得るために，AccQ-Fluor Reagent Kit

たと考えられる．

（Waters Corp.）を用いてアミンとアミノ酸のアミノ基を誘導体化した．
GC/MS 分析では，FFAPカラム（Agilent Technolo-

13

アミン抽出液誘導体化物の分析により得られた
LC/MS クロマトグラムと主要ピークのマススペクト
ルを図5に示す．アンモニアを含む試料，含まない試

隕石の海洋衝突による初期地球の有機物生成／古川，関根，大庭，掛川，中沢

(a)

231

1

2
4

3

5

10

13

C-酢酸 (M.W. = 62)
45

(b)

15

保持時間 (min)

*

(c)

46

13

C-プロピオン酸 (M.W. = 77)

*

O

O

C

CH 3

*
46

OH

45

*

13

13

13

* 76

*

62

(d)

13

50

60 70
m/z

80

90

40

C-ブタン酸 (M.W. = 92)

*

(e)

76
13

13

CH2

CH3

13

CH2

C

CH 2

77

60

80

90

OH

58
60

50

60 70
m/z

C-ペンタン酸 (M.W. = 107)

*

O
13

13

13

CH 3

*

46

*
40

46

76
13

13

C

CH 3

13

CH 2

13

CH 2

13

CH 2

13

C

OH

OH
McLafferty
rearrangement m/z 62

McLafferty
rearrangement m/z 62
62

13

CH2

76
40

50

60

70
m/z

*

+

*

80

*

13

92

OH

C

*

OH
40

90

O

50

+

OH

CH2

13

62
76
60

70 80
m/z

*

13

C
OH

90 100

図4： アンモニアを含まない衝突実験生成物（SA007）のカルボン酸抽出物GC/MS分析結果(a) GC/MSクロマトグラム．検出された複数のピークのうち，番号を付けたものが，各種カルボン酸の保持時間と一致す
13るもの．(b) ピーク1のマススペクトラム．スペクトラム上の数値は Cギ酸のマスフラグメント．(c) ピーク2のマススペ
13
クトラム．スペクトラム上の数値は Cプロピオン酸のマスフラグメント．(d) ピーク4のマススペクトラム．スペクトラ
1313
ム上の数値は Cブタン酸のマスフラグメント．(e) ピーク5のマススペクトラム．スペクトラム上の数値は Cペンタン酸
12のマスフラグメント．*は Cカルボン酸のマスフラグメント．[Furukawa et al., 2009 を一部改編]

13

料共に C で構成されるメチルアミン，エチルアミン
13が生成していることが分かる．この他にも C で構成

ニアを含む試料の方が一様に高く，炭素数の増加に伴い指数関数的に減少する．

されるプロピルアミン，ブチルアミンが生成している

アンモニアを含む試料（SA004）の，アミノ酸抽出液

ことが確認された．これらのアミンの生成量もアンモ誘導体化物と標準試料誘導体化物の LC/MS 分析によ232

日本惑星科学会誌 Vol. 18, No. 4, 2009

(a)a

A

相対強度

A

202

B 216
12

R
N
H

B
14

15

(b)

16
17
保持時間 (min)

+

CH3

200
19
A

A

20 205
m/z
B

相対強度

15

(c)c

16
17
保持時間 (min)

13

200
19

20 205
m/z

A

203

18

相対強度

17
16
保持時間 (min)

CH3

13

+

m/z
218

CH3

20 205
m/z

220

13

R
N
H

+

CH2
13
CH3

219

205
19
200

CH2
13
CH3

219
220

204

18

13

N+
H

215

N
H

220

R

B

R

CH2
12
CH3

218

205

B
15

+

m/z

204

A

14

215

203

R

B

+

217

N
H

14

N
H

203
204

18

12

R

220
215

m/z

220

図5： 生成物のアミン抽出物GC/MS分析結果(a) アミン標準試料誘導体化物のLC/MSクロマトグラムと各ピークのマススペクトラム．(b) アンモニアを含まない衝突
実験生成物（SA007）のアミン標準試料誘導体化物のLC/MSクロマトグラムと各ピークのマススペクトラム．(c) アンモニ
アを含む衝突実験生成物（SA004）のアミン標準試料誘導体化物のLC/MSクロマトグラムと各ピークのマススペクトラム．
[Furukawa et al., 2009 を一部改編]り得られた，グリシンのマスクロマトグラム（m/z =固体試料の XRD 分析の結果を図6に示す．アンモ

256, 257, 258）を図6に示す．グリシンは炭素を2つ含ニアを含む試料，含まない試料共に鉄，ニッケルの大むため，標準試料は天然の同位体比に応じて

12

12

C- C，

部分は未反応であったが，一部の鉄は酸化され磁鉄鉱

C- C， C- C で構成されるグリシンの順に存在量が（Fe3O4）が生成していた．アンモニアを含まない試料

減少するが，実験で合成したアミノ酸抽出液誘導体化

においては，磁鉄鉱（Fe3O4）に加えウスタイト
（FeO）

12

13

13

13

物分析結果では，天然に比べ

1313C- C で構成されるグ

リシンが極端に多く，グリシンが衝突実験で生成したことを明確に示している．出発試料にアンモニアを含まない試料では，グリシンの生成量は確認できなかった．対照実験として，未衝突出発試料の分析ではで構成される有機物は検出されなかった．

13

Cも生成していた．アモルファス炭素も未反応物として両方の試料に残存していた．

NGS-2008-06-00621B

隕石の海洋衝突による初期地球の有機物生成／古川，関根，大庭，掛川，中沢(a) 100 m/z = 246

m/z = 247

相対強度 (%)

R

12

N+
H
50

0

12

13
保持時間 (min)(b) 100 m/z = 246

相対強度 (%)

N+
H

O

14

m/z = 248
13

R

CH2 OH
12
C

12

233

CH2 OH
12
C

N+
H

O

13
保持時間 (min)

13

R

14

12

CH2 OH
13
C
O

13
保持時間 (min)14

m/z = 248

m/z = 247

50

0

12

13
保持時間 (min)

14

12
13
保持時間 (min)

14

12
13
保持時間 (min)14

図6： 生成物のアミノ酸抽出物LC/MS分析結果(a) グリシン標準試料誘導体化物のマスクロマトグラム．(b) アンモニアを含む衝突実験生成物(SA004)のアミノ酸誘導体
化物マスクロマトグラム．[Furukawa et al., 2009 を一部改編]

3. 温度圧力変移と有機物の生成機構を基にした実験結果の天然衝
突への応用
本章では隕石衝突模擬実験結果を基に実験の温度圧
力変移，有機物生成反応過程の考察推定し，先行研究との比較により隕石海洋衝突により有機物が生成し得

用いて，インピーダンスマッチング法により衝撃波圧を算出すると試料容器に発生する圧力は約 20 GPa となり，この衝撃波が試料に伝播することにとる．試料は粒界が水で満たされた混合粉末で，試料容器の衝
突面側内壁に張り付いている．このような混合物のHugoniotは報告されていないが，試料の約77 vol%が水であるため，水のHugoniotを一次近似として用いる条件を考察する．

て衝撃圧縮中の試料の圧力を算出すると約 6 GPa と

3.1

は 310 Kとなることが示唆されている[34]．実際の試温度および圧力の推定

一回の衝突実験の過程は，水，金属，炭素の混合物に対する衝撃波による圧縮段階と窒素ガス中まで衝撃波が達した開放段階の2つに分けて考えることができる．これらの各段階における試料の温度圧力の直接測定は困難なので，間接的に推定した．この実験の衝突
速度計測および飛翔体，試料容器材料のHugoniotをなる[34]．先行研究よりこの衝撃圧縮により水の温度
料は衝撃インピーダンスが水のそれよりかなり大きい
約 23 vol%の固体粉末を含むこと，鉄の酸化による反応熱が加わることにより，上記の温度よりもかなり高くなるであろう．
窒素中まで衝撃波が達すると凝縮体混合物に取っては希薄波が発生いし圧力の開放が始まる．この開放過234

日本惑星科学会誌 Vol. 18, No. 4, 2009

程の温度圧力の推定は，実験で衝突速度を大きくする

9Fe + 12N2 + 12H2O → 3Fe3O4 + 8NH3

（3）と（> ca. 1 km/s），試料容器が破裂してしまうことに着目して行った．つまり，試料容器が破裂する現象は炭素と水蒸気の反応により生成し得る物質はメタ

試料容器の内圧が，容器の材料強度を超えたことを意

ン，一酸化炭素，二酸化炭素があるが，無機炭素のガ味すると考え，破壊様式をせん断破壊または引張破壊，ス化反応には大きな活性化エネルギーを必要とするた

容器内に存在するガス（水蒸気，窒素，発生する水素め，試料温度が310 K程度の衝撃圧縮過程では炭素のなど）を理想気体と仮定し，破壊が起こったときの試反応は進んでいないと考えられる．一方，開放過程で料室内圧と温度を計算した．この内圧，温度はそれぞ

は高温になるため，炭素が超臨界水と反応する．炭素れ200－350 MPa，2,500－4,400 Kと算出された．ただ－水蒸気間反応のうち，1,000 K以上において自由エ

し，これらの値は破壊様式や破壊が起こったときのネルギーが負となるものは一酸化炭素生成反応だけで試料室の変形により大きく異なるため，最大約50%程ある（反応式4）．この反応は水蒸気改質反応として石度の大きな誤差が見込まれるものである．このような炭からの一酸化炭素と水素の合成法として知られて開放過程で試料容器を破裂させる熱源は良く分かっている[36]．また，生成物中から直鎖のアミンやカルボいないが，ガスの衝撃圧縮温度上昇だけでは説明でき

ン酸が見出されることから，それらに相当する炭素ないこと，水を含まない試料では破裂が起こらないこ

鎖の生成反応の存在が示唆される．これにはFischer–とから，衝撃波通過により加速された粉末試料およびTropsch 型の反応が寄与したと考えられる．Fischer

水と窒素ガスとの摩擦や乱流などにより局所的に発熱–Tropsch Process（反応式5）は鉄やニッケルを触媒とした可能性がある．この様な現象は試料容器を用いなして一酸化炭素と水素から炭化水素を生成する反応でい開放系での衝突実験においても発生が示唆されておあり，ガソリンや灯油などの燃料合成法として工業化

り[30]天然の衝突でも起こり得ると考えられる．また，されている．この反応では条件によりメタノールも生

地球への高速衝突（>20 km/s）では衝突蒸気雲の温度成される．

は10,000 Kにもなることが示唆されており，本実験の最高到達温度は天然の衝突でも十分に到達し得る温度

C + H2O → CO + H2

（4）である[35]．この衝突蒸気雲の発生が本実験での反応（2n+1）
H2 + nCO → CnH（2n+2） + nH2O （5）メカニズムを考える鍵であるが，未だ不明な点が多い
ので今後の研究で明らかにされるであろう．

3.2

有機物生成過程

カルボン酸やアミン，アミノ酸などの極性化合物は高温では不安定であることから，高温で生成する活性化炭素を含む化学種が温度の低下に伴い，数百度程度で衝突および衝突後の化学反応は短時間で非平衡であ化合物を作るものと考えられる．一酸化炭素は反応性るためグラファイトからの炭素の乖離や有機分子の生の高い物質であり，アンモニアと反応し，シアン化水

成過程を正しく推定することは困難であるが，平衡反素を生成することが知られている[37]．シアン化水素

応を手掛かりとして以下のように考える．衝突圧縮過も反応性の高い物質で，水素と反応するとメチルアミ

程である第一段階の反応は鉄の酸化反応とアンモニアンを生成し，加水分解によりギ酸やホルムアルデヒドの生成反応（反応式3）である．この反応は言わば衝撃を生成することが知られている[38,39]．このような中圧縮下でのハーバーボッシュ（Harber-Bosch）反応で間生成物からグリシンなどのアミノ酸を合成した先行ある．試料容器がステンレス製であるため，ステンレ

研究は数多く存在する．例えば，シアン化水素の重合

ス鋼に含まれる鉄も還元剤として働くように思われる[38]，シアン化水素とアンモニアの反応[40]などがある．

が，回収試料には金属鉄が酸化されずに残存している

Strecker反応はシアン化水素とアンモニアの反応の一ことから，粉体より反応性が低くかつ金属鉄よりも耐種でアルデヒドとアンモニア，シアン化水素の反応に食性の高いステンレス容器中の鉄が化学反応に寄与しよりアミノニトリルが生成し，これが加水分解されるた可能性は低い．

ことによりアミノ酸が生成する．このように出発試料からのアミノ酸生成反応は多種複雑であり，多くの中

隕石の海洋衝突による初期地球の有機物生成／古川，関根，大庭，掛川，中沢

235

間生成物を経由する．従って，検出した生成物以外に蒸気の体積が制限され，試料室の水蒸気圧が同速度も炭化水素，アルコール，アルデヒド，ニトリルなどの天然衝突による衝突蒸気雲よりも長く続く．ただし，が生成している可能性も高い．このように，本実験でこの水蒸気圧も試料の熱が容器に拡散すれば，すぐには圧力開放過程で試料が経験する高温で炭素のガス化低下する．この衝突後の加圧条件は逆に，この実験がが進行し，温度が下がるにつれて極性有機物生成が進同速度の天然衝突に比べて，高密度の反応場を生成す行しているものと考えられる．しかし，冷却過程が急ることを示唆している．
しかし，大規模な超高速衝突（5

冷であること，回収試料にアモルファス炭素と金属鉄，

km radius; >20 km/s）の場合には，飛翔体の前面物質

ウスタイト，磁鉄鉱が共存していたことを考慮すると，は約1秒程度の間，100 GPa以上に加圧されることが反応系は熱的にも，化学的にも平衡に達しておらず，示唆されており[41]，相違点2）を考慮するとむしろ天固体炭素の反応を平衡論で議論するにはある程度の限

然衝突条件に近いと考えることもできる．これらの議界がある．このような非平衡環境は実際の衝突蒸気雲論より本実験は有機分子生成の最低条件を与えている中でも必然的に発生するもので，今後は衝突に伴う非ものと考えることができ，より高エネルギー衝突が一平衡下での化学反応研究も必要となるであろう．

般的な天然では，炭素のガス化が進行しより多くの有

3.3

初期地球での隕石衝突機物生成が起こると考えられる．ただし，超高速衝突（>20 km/s）の場合は，ケイ酸塩鉱物が蒸発すること

この実験は模擬実験であるので，現実の海洋衝突とが示唆されており[41]，ケイ酸塩鉱物が化学反応に寄は異なる点もいくつかあるが，そのことを踏まえても与した場合，衝突蒸気雲内の酸素分圧を緩衝しQFM

この実験結果は，鉄を含む隕石が窒素に富む大気を持

バッファー程度にする可能性がある．この場合は，ケ

つ初期地球の海洋に衝突する現象によって，多種の有イ酸塩鉱物が化学反応に寄与しない場合に比べ有機物

機分子が生成することを示唆するであろう．この実験

生成量が低下すると考えられる．このような超高速衝と，現実の海洋衝突現象で異なる点の主なものは，1）突においても，衝突角度が30º以下の斜め衝突の場合

衝突速度，2）飛翔体の大きさ，3）衝突後の圧力の継にはケイ酸塩鉱物が蒸発しない程度の温度域の存在が続時間，4）初期地球大気を想定した二酸化炭素を含示唆されており[41]，斜め衝突の場合はこの研究結果

まないことである．

を適応できると考えられる．4）初期地球の大気は窒

1）この実験では0.9 km/s程度の衝突速度であった素以上に二酸化炭素を多く含んでいたことが示唆されが，実際の隕石の多くは脱出速度の約11 km/s以上のている[11]．本研究では炭素源を一つにし，反応経路

高速衝突が多い．実験に用いた飛翔体の衝撃インピーを特定するために，二酸化炭素を出発試料に使用しなダンスと隕石のそれとの差や隕石衝突の衝突角等を考かった．二酸化炭素は窒素に比べ酸化的な物質であり，慮しても，このことは本実験では天然の衝突に比べ反有機物生成には阻害物として働くと考えられるが，二応温度が低いことを示唆している．有機物の生成過程

酸化炭素効果が有機合成をどの程度，阻害するかを明において衝突による到達温度が高いほど，活性化炭素

らかにするにも今後の研究が必要となる．このように，種が生成され無機炭素の反応が進むことが示唆される

本実験では窒素に富む大気への金属鉄を含む隕石の衝ので，この衝突速度は有機物生成の最低条件を与える

突で有機物が生成し得る最低条件を与えており，超高と考えることができる．2）隕石の大きさは，微小隕速衝突以下の様々な速度，衝突様式の隕石海洋衝突に石から巨大なクレータをつくるものまで幅広く存在す

よって多種の有機物が生成しうるということが示唆さるが，この研究で想定している衝突蒸気雲を形成する

れた．

ような隕石は，メートルサイズ以上のものである．それに比べ，この実験では試料室のサイズ制約によりミ

4. まとめリメートルサイズの試料を使用している．これにより，衝撃波による高温高圧継続時間は 1/100 以下になっ隕石の海洋衝突を含め，いくつかの過程が生物有機ている．3）実験試料が密閉容器の中に封入されてい分子の生成過程として研究されてきた．それらは主に，ることにより，衝撃波通過後に熱膨張しようとする水

炭素質隕石の飛来，彗星の飛来，海底熱水系における236

日本惑星科学会誌 Vol. 18, No. 4, 2009生成である．炭素質隕石は多くの有機物を含み，そのの研究対象には，隕石，彗星，衝突など，生物有機分

抽出物を加水分解するとアミノ酸やカルボン酸などの子起源問題に深く関わるものが多いと感じられる．地

生物有機分子も見つかる．このことから，炭素質隕石

球を一つの惑星と考えると，初期地球にどのような有は初期地球への主要な有機物供給源と考えられてき機物が生成し，生命誕生へと進化したのかという問題た．また，彗星環境を模擬した実験においても，アミは，生命の起源としてだけではなく，Habitable Planet

ノ酸などの生物有機分子の生成が示唆されている．しを考える観点からも重要性が増している．現在のところ，かし，隕石や彗星のうち地球に高速で衝突するものは， 隕石の海洋衝突，海底熱水，地球外飛来過程のうちど
衝突蒸気雲の熱により生物有機分子は熱分解してしまれも，タンパク質や核酸，生体膜の材料となる有機物

う．炭素質隕石は金属鉄のような還元剤を含まないのをそろえることはできていないが，今後の研究で徐々で，炭素質隕石の衝突により生成する蒸気雲は二酸化に解明されてゆくであろう．

炭素大気を取り込むことで，やや酸化的になるであろう．このような蒸気雲では，熱分解した有機物が蒸気

謝 辞

雲内で再び反応し，アミノ酸を生成することは難しいと考えられる．また，彗星の衝突の場合は熱分解した

本稿を執筆する機会を与えてくださった，編集委員

有機物から二次的な有機物の再合成が起こる可能性は長の田中秀和博士，大変有意義な査読コメントを頂い否定できないが，小惑星のサイズ分布観測から後期重た関根康人博士に深く感謝いたします．

爆撃は小惑星帯の隕石が降り注いだものであると示唆されており[42]，彗星が生物有機分子供給源として寄参考文献与した可能性は低いであろう．
海底熱水環境では，カンラン石に含まれる二価鉄の酸化により生成した水素が，二酸化炭素を還元し，有[1] Oparin, A. I., 1936, The Origin of Life (Moscow;[2] Imai, E., et al., 1999, Science 283, 831.

機物が生成すると考えられており，多くの模擬実験が[3] 中沢弘基, et al., 1993, Viva Orgino 21, 213.

行われてきた．このうち，カンラン石，水，二酸化炭[4] Ohara, S., et al., 2007, Orig. Life Evol. Biosph. 37, 215.

素を出発物質とした実験では炭化水素の生成が示唆[5] 中沢弘基, 2008, 生命の起源地球が書いたシナリオ

されている[43]．また，現在の海底熱水の分析からも，非生物的プロセスによる炭化水素の生成が示唆されて（東京; 新日本出版社）.
[6] Honda, S., et al., 2004, Structure 12, 1507.

いる[44]．しかし，このプロセスでは窒素を還元できず， [7] Ferris, J. P., et al., 1996, Nature 381, 59.
アミノ酸や核酸塩基などの含窒素有機化合物の生成は[8] Wetherill, G. W., 1985, Science 228, 877.

説明できない．

[9] Matsui, T. and Abe, Y., 1986, Nature 319, 303.

一方，隕石の後期重爆撃は38–40億年前に起こった[10] Wilde, S. A., et al., 2001, Nature 409, 175.

初期地球史の特異なイベントであり，幅広い衝突条件[11] Kasting, J. F., 1990, 199.

での生物有機分子生成が示唆される．度重なる衝突に[12] Kasting, J. F. and Howard, M. T., 2006, 1733.

より生物有機分子が初期海洋に蓄えられ，化学進化へ[13] Tian, F., et al., 2005, Science 308, 1014.

と進んだのであろう．生物の痕跡から想定される生命[14] Rosing, M. T., 1999, Science 283, 674.

発生の時期が後期重爆撃期と連続することも，本論で[15] Ueno, Y., et al., 2006, Nature 440, 516.

推定するように隕石海洋爆撃によって生命の素である[16] Miller, S. L., 1953, Science 117, 528.

生物有機分子が準備されたであろうことを支持してい[17] Urey, H. C. and Craig, H., 1953, Geochim. Cosmochim.

る．
このように，生命の起源問題の根幹をなす生物有機
分子の起源問題は，近年の地球科学，分析化学の発展

Acta 4, 36.
[18] Groth, W. E. and Vonweyssenhoff, H., 1960, Planet
Space Sci. 2, 79.

により，多くの研究成果が報告され，徐々に明らか[19] Harada, K. and Fox, S. W., 1964, Nature 201, 335.

になりつつある．地球科学の中でも，特に惑星科学[20] Barnun, A., et al., 1970, Science 168, 470.

隕石の海洋衝突による初期地球の有機物生成／古川，関根，大庭，掛川，中沢[21] Schlesinger, G. and Miller, S. L., 1983, J. Mol. Evol.
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