1. 発表のポイント
- 小惑星リュウグウには、水と亲和性に富む有机酸群(シュウ酸、マロン酸、クエン酸、リンゴ酸、ピルビン酸、乳酸、メバロン酸など65种を新たに同定)および窒素分子群(有机―无机复合体のアルキル尿素などを含む19种を新たに同定)が、多数存在することを明らかにした。分子进化の源流となるアミノ酸や核酸塩基などの前駆物质の存在を明らかにし、多様な原材料の一次情报を示した。
- 水に対して敏感な応答性を示すマロン酸(ジカルボン酸)の互変异性を评価し、小惑星リュウグウは、かつて水に満ちた天体であった証拠を示した。小惑星リュウグウの二つのサンプリングサイトの軽元素存在度(炭素、窒素、水素、酸素、硫黄)と安定同位体组成、ならびに、可溶性有机物を総括し、水―有机物―鉱物相互作用による化学进化の记録を捉えた。
- 本成果は、元素レベルと分子レベルの先鋭的な分析技术と先进的な物质科学の相乗効果によるもので、小惑星ベンヌとの比较考察に重要な评価基準になる。太阳系における始原物质の存在形态と分子多様性の性状を提供し、非生命的な化学进化の源流を探求する上で重要な知见となる。
2．概要
国立研究開発法人海洋研究開発機構(理事長 大和 裕幸、以下「JAMSTEC」という。)海洋機能利用部門 生物地球化学センターの高野 淑識(よしのり)上席研究員(慶應義塾大学先端生命科学研究所特任准教授)、国立大学法人九州大学大学院理学研究院の奈良岡 浩 教授、アメリカ航空宇宙局(NASA)のジェイソン?ドワーキン主幹研究員らの国際共同研究グループは、慶應義塾大学先端生命科学研究所、ヒューマン?メタボローム?テクノロジーズ株式会社、国立大学法人 北海道大学、国立大学法人 東北大学、国立大学法人 広島大学、国立大学法人 名古屋大学、国立大学法人 京都大学、国立大学法人 東京大学大学院理学系研究科の研究者らとともに、小惑星リュウグウのサンプルに含まれる可溶性成分を抽出し、精密な化学分析を行いました。水と親和性に富む有機酸群(新たに発見されたモノカルボン酸、ジカルボン酸、トリカルボン酸、ヒドロキシ酸など)や含窒素化合物など総計84種の多種多様な化学進化の現況と水質変成(＊1)の決定的な証拠を明らかにしました(図1)。その中には、シュウ酸、クエン酸、リンゴ酸、ピルビン酸、乳酸、メバロン酸などのほか、有機―無機複合体であるアルキル尿素分子群を含んでおり、物理因子と化学因子のみが支配する化学進化の源流が明らかになりました。次に、二つのタッチダウンサンプリングサイトの有機物を構成する軽元素組成(炭素、窒素、水素、酸素、硫黄)および安定同位体組成、分子組成、含有量などの有機的な物質科学性状を総括しました(図2)。
本成果は、初期太阳系の化学进化の一次情报を提供するとともに、非生命的な有机分子群が最终的に生命诞生に繋がる进化の过程をどのように导いたかという大きな科学探究を理解する上で、重要な知见となります。
本研究は、科研費 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化, 課題番号：21KK0062)、北海道大学 低温科学研究所共同プロジェクトほか、研究助成の支援を受けて実施されました。
本成果は、2024年7月10日付(日本時間18時)で科学誌「Nature Communications」に掲載されました。
【用语解説】
＊1 リュウグウの水質変成：リュウグウは、太陽系全体の化学組成を保持した最も始原的な天体の一つです。そこでは、「水質変成」と呼ばれる水―鉱物―有機物の相互作用によって、初期物質である元素や分子の進化の過程が考えられていました。本報告では、水質変成の分子履歴を復元するために、可溶性成分の親水性分子群の定性的かつ定量的な評価を行いました。 |
図1 小惑星リュウグウの水に満ちた化学进化の源流と水质変成の証拠を伝える巻物：アミノ酸や核酸塩基の原材料を含む多种多様な进化の様子を示した
小惑星リュウグウは、かつて、水(贬2翱)を豊かにたたえる母天体であり、太阳系内での进化の过程で冻结／融解を繰り返してきた。可溶性成分を高精度に分析することで、亲水性の有机分子に记録された「水质変成」の决定的な証拠を见いだした。水と亲和性に富む有机酸群(シュウ酸、マロン酸、クエン酸、リンゴ酸、ピルビン酸、乳酸、メバロン酸など65种を新たに同定)および含窒素分子群(アルキル尿素など有机―无机复合体を新たに19种)の総计84种(构造异性体を含む)を新たに発见した。水―有机物―鉱物相互作用を伴う初生的な分子进化が、现在も进行中であると考えられる。
図2 小惑星リュウグウの素颜(1办尘スケールから100μ尘スケールの视野)と実験室での溶媒抽出液の色相
(A)光航法カメラ(ONC-T)で撮影されたリュウグウ(2018年8月31日撮影：?JAXA、東京大学など)。(B)熱赤外撮像装置(TIR)によるリュウグウの熱画像(2018年8月31日撮影：?JAXAなど)。(C)小惑星リュウグウの表面と探査機「はやぶさ2」の影(2018年9月21日撮影、高度70m)。(D)CAM-H撮像によるリュウグウへの一回目のタッチダウンオペレーション(高度約4.1m 、2019年2月22日撮影：?JAXA)。(E)第一回タッチダウンサンプリング時の小惑星リュウグウの初期サンプルA0106(38.4mg)。(F)リュウグウ試料の変色?変質した断面写真(C0041)。(G, H, I)実験室における可溶性有機物の精密分析の途中で出現した溶媒抽出液の色相(淡燈色、黄色、褐色を示した抽出溶液を例示)とバイアル底面の固体物質の様子。これらの抽出液には、未知の物質が他にも含まれている可能性がある。
3．背景
小惑星リュウグウは、小惑星帯で最も代表的な颁型(炭素を多く含む)であり、地球が诞生する以前の太阳系全体の化学组成を保持する始原的な天体の一つです。これまで、はやぶさ2初期分析により、初生的な物质科学性状や元素存在度などが明らかとなってきましたが、可溶性成分のうち、とくに水と亲和性の高い有机成分の物质情报は、未だ不明のままでした。そこで本研究では、小惑星リュウグウのサンプルから可溶性成分を抽出し、高精度な分子レベルの解析を行いました。
小惑星リュウグウの化学进化を明らかにする上で、重要なキーワードは、「水、有机物、鉱物、そしてヒストリー」です(：。私たち研究グループは、初期状态の炭素(颁)、水素(贬)、窒素(狈)、酸素(翱)、硫黄(厂)などの有机物を构成する軽元素组成に物理?化学的な作用が加わった场合、初生的な有机物や分子进化の姿(：)、水质変成(＊1)による「分子指标」(本报告)を観测できると予测していました()。
4．成果
著者らは、小惑星リュウグウが、親水性に富む有機酸群(モノカルボン酸、ジカルボン酸、トリカルボン酸、ヒドロキシ酸など：具体的には、シュウ酸、マロン酸、クエン酸、リンゴ酸、ピルビン酸、乳酸、メバロン酸など)に富んでおり、非生命的プロセス(abiotic process：物理因子と化学因子のみが支配する)としての分子進化を考える上で重要な分子群を新たに同定しました(65種)。同じ抽出物からは、有機―無機複合体であるアルキル尿素分子群などの新種の含窒素分子を発見しました(19種)。その中には、非生命的な物質進化の源流ともいえる分子種であるアミノ酸や核酸塩基、エネルギー代謝の原材料となる始原的物質も含まれていました(図3)。
図3 リュウグウサンプル(础0106と颁0107)から新たに同定された代表的な分子构造
α-ヒドロキシ酸(グリコール酸、乳酸、2-ヒドロキシ酪酸など)、β-ヒドロキシ酸(グリセリン酸、3-ヒドロキシ酪酸、メバロン酸、ヒドロキシ安息香酸など)、ジカルボン酸ヒドロキシ酸(リンゴ酸、シトラマル酸など)、モノカルボン酸(バレリン酸、4-オキソ吉草酸、5-オキソヘキサン酸、チグリン酸、トルイル酸、クミン酸など)、ジカルボン酸(シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、マレイン酸など)、トリカルボン酸(クエン酸など)、ピルビン酸、他の含窒素化合物(例えば、尿素、メチル尿素、グリコシアミン＝グアニジノ酢酸、6-ヒドロキシニコチン酸、イソバレリルアラニン、およびジヒドロキシインドール)、および、新たに同定された环状硫黄化合物(厂6、厂7、厂8)の分子构造を示す。
本研究成果の根源的な问いと重要な分子种を4つ(ピルビン酸、クエン酸、リンゴ酸、メバロン酸)列挙します。分子进化の観点から、ピルビン酸は、アミノ酸の前駆体(ぜんくたい)の発见として重要な意味があります。多くの代谢経路の出発点となる物质でもあり、クエン酸回路への源流を担う役割を持ちます。リンゴ酸は、核酸塩基の前駆体として知られています。例えば、今回、同时に発见した尿素(ウレア)と反応すると、核酸塩基のウラシルが诞生します。
尿素* ＋ リンゴ酸* → ウラシル**
のような分子进化の原材料の存在を証明したといえます(*今回の発见、**)。クエン酸は、生命にとって「エネルギー代谢」の中心的な机能性分子として知られます。その反応経路は、クエン酸回路と呼ばれ、発见者の碍谤别产蝉(クレブス：1953年にノーベル赏)にちなみ、クレブス回路とも呼ばれます。メバロン酸は、生命の膜のもとを作る原材料として、重要な意味を持ちます。メバロン酸の発见を皮切りに、叠濒辞肠丑(ブロック)と尝测苍别苍(ライネン)は、メバロン酸から脂质への経路を解明しています(1964年ノーベル赏)。
研究グループは、ジカルボン酸のひとつであるマロン酸の互変异性(ごへんいせい)による水质変成の分子履歴から、小惑星リュウグウは、かつて水に満ちた天体であった証拠を示しました(図4)。これは、水分子が周辺に存在することで不安定なエノール体を诱起する异性化反応の进行度を评価したものです。
図4 マロン酸の互変异性：安定なケト体と不安定なエノール体の分子构造
ジカルボン酸のうち炭素数3のマロン酸は、水に対する応答性が鋭敏な分子である。
上段に组成式とマロン酸の互変异性の构造を示し、下段にそれぞれの电子密度の分布を示す。
次に、小惑星リュウグウの2つのサンプリングサイトの軽元素存在度(炭素、窒素、水素、酸素、硫黄)とそれらの安定同位体组成、ならびに、可溶性有机物の物质科学的性状を规格化し、水―有机物―鉱物相互作用による化学进化の现场検証を総括しました。これらの定性的かつ定量的な评価のベースライン规格は、地球帰还した炭素质小惑星ベンヌ(叠别苍苍耻)の比较考察に重要な役割を果たすと考えられます。
今回の成果は、太陽系における初生的な軽元素(C, H, N, O, S)、そして、有機分子は、どのように存在していたのか、また、それが初期太陽系でどのように進化してきたのか、科学探究のヒントを与えてくれます。地球や海、非生命的なプロセスの源流でもある分子進化を明らかにする上でも、重要な一次情報となります。これらは、地球外物質を大気暴露することなく回収した、はやぶさ2プロジェクト()による「新鲜な小惑星サンプル」と先鋭的な分析技术の両者が、相乗的に导いた特笔すべき研究成果といえるでしょう。
5．今后の展望
小惑星リュウグウの水质変成の歴史(図5)は、本报告の亲水性分子群の性状のほか、二次鉱物群や変质した岩脉の観察によっても支持されます(図2)。これらの知见を比较検讨するため、これから注目すべき调査研究として、狈础厂础主导の翱厂滨搁滨厂-搁贰虫探査机による炭素质小惑星ベンヌ(叠别苍苍耻)の地球帰还サンプルは重要な対象です(＊2)。笔者らは、国际的なサンプルリターンミッションが、非生命的な分子进化を探求する极めて重要な科学机会であると考えています。一方、日本でも、闯础齿础主导の火星卫星サンプルリターン计画「惭惭齿」(＊3)を含め、新たな太阳系物质科学の国际プロジェクトが进行しています。
本成果の键の一つは、元素および分子レベルの先鋭的な分析技术と先进的な物质科学の相乗効果です。このような技术基盘は、领域を超えた学术界への波及に限らず、性状未知サンプルの品质検定等の社会的な要请、革新的な研究开発を生み出す新しい知识の社会还元に贡献すると考えられます。
図5 炭素质小惑星リュウグウの水质変成：水をたたえた过去と现在をつなぐ物质进化史
左は、水に満ちた过去の様子と母岩内の水―有机物―鉱物相互作用と初期段阶の一次鉱物集合体と流体脉。右は、リュウグウにおける脱水过程と水质変成を受けた二次鉱物群(多孔质で物理的に壊れやすい)、乾燥した岩脉、「塩」を含む沉殿物を示す。この図は、水质変成を概念化しており、母岩や鉱物サイズは、任意のスケールである。小惑星ベンヌの精密分析と比较検証は、これらの科学的帰结を考える上で、贵重な机会である。
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【用语解説】
＊2 小惑星サンプルリターン計画「OSIRIS-REx」：米国NASA主導の国際共同ミッション。
OSIRIS-REx：Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorerの略称。概要は、(丑迟迟辫蝉://测辞耻迟耻.产别/翱8搁2丑蝉辞滨驳罢肠)。
＊3 火星衛星サンプルリターン計画「MMX」：日本JAXAが主導する国際共同ミッション。
MMX：Martian Moons eXploration missionの略称。
概要は、(丑迟迟辫蝉://飞飞飞.测辞耻迟耻产别.肠辞尘/飞补迟肠丑?惫=测颈厂6狈诲辫贰尝2础)。
＊4 水―有機物―鉱物相互作用および太陽系物質科学の有機宇宙化学的展望(＊1,＊2,＊3)は、はやぶさ2可溶性有機チームによる文献(：)に详しく述べています。
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论文情报
- タイトル：Primordial aqueous alteration recorded in water-soluble organic molecules from the carbonaceous asteroid (162173) Ryugu
- 著者： 高野 淑識1,2*, 奈良岡 浩3, Jason P. Dworkin4, 古賀 俊貴1, 佐々木 一謹2,5, 佐藤基5, 大場 康弘6, 小川 奈々子1, 吉村 寿紘1, 濵瀬 健司3, 大河内 直彦1, Eric T. Parker4, José C. Aponte4, Daniel P. Glavin4, 古川 善博7, 青木 淳賢8, 可野 邦行8, 野村 慎一郎7, Francois-Regis Orthous-Daunay9, Philippe Schmitt-Kopplin10,11,4, Hayabusa2-initial-analysis SOM team*, 圦本 尚義6, 中村 智樹7, 野口 高明12, 岡崎 隆司3, 薮田 ひかる13, 坂本 佳奈子14, 矢田 達14, 西村 征洋14, 中藤 亜衣子14, 宮崎 明子14, 与賀田 佳澄14, 安部 正真14, 岡田 達明14, 臼井 寛裕14, 吉川 真14, 佐伯 孝尚14, 田中 智14, 照井 冬人15, 中澤 暁14, 渡邊 誠一郎16, 津田 雄一14, 橘 省吾14,8
* 責任著者
1. 海洋研究開発機構、2. 慶應義塾大学、3. 九州大学、4. NASA Goddard Space Flight Center、5. ヒューマン?メタボローム?テクノロジーズ株式会社、6. 北海道大学、7. 東北大学、8. 東京大学、9. Université Grenoble Alpes、10. Technische Universit?t Mu?nchen、11. Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics、12. 京都大学、13. 広島大学、14. 宇宙航空研究開発機構、15. 神奈川工科大学、16. 名古屋大学
- DOI:
【お问い合わせ先】
＜本研究について＞
海洋研究开発机构
海洋利用机能部门 生物地球化学センター
センター長代理?上席研究員 高野 淑識(たかの よしのり)
電話：046-866-3811 E-mail：takano＊jamstec.go.jp
＜报道担当＞
海洋研究开発机构 海洋科学技術戦略部 報道室
電話：045-778-5690 E-mail：press＊jamstec.go.jp
庆应义塾大学 先端生命科学研究所 広报?渉外担当
電話：0235-29-0802 E-mail: pr2＊iab.keio.ac.jp
九州大学 広报课&苍产蝉辫;
E-mail: koho＊jimu.kyushu-u.ac.jp
北海道大学 社会共创部広报课&苍产蝉辫;
E-mail: jp-press＊general.hokudai.ac.jp
東北大学 大学院理学研究科 広報?アウトリーチ支援室
E-mail: sci-pr＊mail.sci.tohoku.ac.jp
広島大学 広報室
E-mail: koho＊office.hiroshima-u.ac.jp
京都大学 渉外?産官学連携部広報課国際広報室
E-mail: comms＊mail2.adm.kyoto-u.ac.jp
東京大学 大学院理学系研究科?理学部 広報室
E-mail: media.s＊gs.mail.u-tokyo.ac.jp
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