分析した火星隕石とその結果予想される40億年前の火星環境

(上) 分析した火星隕石(ALH 84001)とその結果、および、(下) 予想される40億年前の火星環境  (c) Koike et al. (2020) Nature Communications

40億年前の火星の巖石(火星隕石)が、生命活動にも関わる有機窒素化合物を保存していることを、JAXA宇宙科學研究所?海洋研究開発機構(JAMSTEC)?東京工業大學?高輝度光科學研究センターなどの研究チームが発見しました。研究チームは、大型放射光施設SPring-8を用いた最新の化學分析により、この有機窒素化合物が40億年前の火星のものである可能性が高いと結論付けました。太古の火星は、現在の "赤く(酸化的で)乾いた惑星" とは異なり、水や有機物に富む初期地球に似た姿を有していたのかもしれません。


40億年前の火星の巖石(火星隕石)が、窒素を含む複數の有機物を保存していることがわかりました。
近年の火星探査や地球外試料の分析研究から、火星表層には有機物が存在すると予想されています。しかし、火星の有機物の供給源や保存メカニズム、ハビタビリティ(生命存在可能性)との関係性などは、ほとんど解明されていません。

JAXA宇宙科學研究所?JAMSTEC?東京工業大學?高輝度光科學研究センターなどからなる研究チームは、40億年前の火星隕石に含まれる特定の鉱物を対象に、大型放射光施設(SPring-8)による最新の高解像度化學分析を行いました。その結果、この火星試料から窒素(N)を含む複數の有機物が新たに検出され、これらが40億年前の火星のものである可能性が高いと結論付けられました。

今回発見された有機窒素化合物は、① 40億年前の火星に隕石や彗星などが飛來して供給されたか、あるいは ②火星上でアンモニアを含む有機化學反応が進行して生成された後、③表層水または地下水を介して火星巖石に取り込まれたことで長期間保存されたと考えられます。40億年前の火星の環境は、現在の赤く(酸化的で)乾いた姿とは対照的に、還元的で水や有機物に彩られた初期地球に似た姿だったのではないかと予想されます。

火星隕石とは、かつての火星のマグマ活動で作られた巖石(火成巖)が、後の隕石衝突などで火星重力圏から飛び出し、地球へ飛來したものの総稱です。これらは現狀唯一の「地球上で手に入る火星試料」であり、火星の科學の発展においてとても重要です。

1984年に南極で発見された火星隕石Allan Hills (ALH) 84001には、40億年前に火星の水(表層水または地下水)から沈殿した炭酸塩鉱物がわずかに含まれていました。この炭酸塩鉱物は火星の古環境を記憶していると期待され、1990年代より多數の分析研究が行われてきました。しかし、過去の研究で主流であった破壊分析法では、隕石への南極物質の混入や実験過程での汚染の問題が著しく、「火星の有機物の探求」は困難を極めました。特に、窒素(N)は、惑星の大気?水?巖石圏 (および生命圏) の相互進化を知る上で重要な元素ですが、主に技術的なハードルにより、これまで火星隕石での非破壊分析は実現されていません。そこで、本研究では、直徑100マイクロメートルほどの微小な炭酸塩鉱物に含まれる窒素(N)の化學形態を決定するための高解像度&非破壊分析法を新たに確立し、40億年前の火星史の解読を目指しました。

地球外試料の分析研究における最大の障害は、地球物質の混入(汚染)です。汚染が生じるタイミングは、主に実験過程と、隕石の落下後から回収まで(南極物質の混入)に大別されます。研究チームは、実験過程での汚染を防ぐため、低揮発性メタルテープを用いた試料準備プロトコルを獨自に開発し、ALH 84001炭酸塩鉱物へ適用しました(図1)。隕石の性質上、南極物質の混入は完全には防げませんが、汚染を最低限に抑えられるよう工夫を施しています。この炭酸塩鉱物を対象に、2018年12月および2019年4月、理化學研究所 大型放射光施設SPring-8のビームライン(BL27SU)を利用して窒素X線吸収端近傍構造(μ-XANES)分析を実施しました。

図1

図1  (a) 火星隕石ALH 84001の全體像。枠で囲んだ領域に、炭酸塩鉱物が集まっている。(b) メタルテープを用いて採取した炭酸塩鉱物の粒の顕微鏡寫真 (c)粒を採取後、さらに走査電子顕微鏡/収束イオンビーム裝置を用いて表面に付著した汚染物を除去した。
(c) Koike et al. (2020) Nature Communications

分析の結果、ALH 84001の炭酸塩鉱物からは有機窒素化合物に特徴的なX線吸収ピークが見られました(図2)。詳細な汚染評価から、検出された有機窒素化合物は南極の混入物ではなく、火星由來であると推測されます。一方で、硝酸塩など酸化的な無機窒素は検出されず、40億年前の火星環境が現在ほど酸化的ではなかったことが示唆されました。

図2


図2 (a) 本研究で取得した窒素XANESスペクトルの一部。上3つが炭酸塩鉱物 (Crb-1-3)、下は參照試薬など。水色の網掛け部分が、有機窒素化合物に特有の吸収エネルギー位置。(b)有機物ピーク付近のみを拡大した図。
(c) Koike et al. (2020) Nature Communications

現在の火星表層は有機物にとって非常に過酷な環境で、多くの化合物が短時間で壊れてしまいます。しかし、有機物が鉱物に取り込まれ地下深くに持ち込まれれば、長期保存が可能になります。ALH84001の炭酸塩鉱物は、40億年前の火星の表層水/地下水に存在した有機物を殘す保管庫の役割を果たしていたと言えます。

火星の有機窒素化合物は、元々どこから來たのでしょうか?太古の地球や火星には、炭素質隕石(C型小惑星などの破片)や彗星物質が多數降り注いで有機物が供給された、と予測されています。このような外來起源の有機窒素化合物が、火星の炭酸塩鉱物に取り込まれたのかもしれません。あるいは、かつての火星で窒素の還元反応が進行していれば、アンモニアを介した有機化學反応で "その場で" 有機窒素化合物が生成された可能性もあります(図3)。本研究の成果は、40億年前の火星に還元的な窒素が存在していたことを示します。かつての火星は "赤い惑星" ではなく、水や多様な有機物に特徴づけられる、生命誕生前の初期地球に似た姿だったのかもしれません。

図3

図3 40億年前の火星環境の予想(上)と現在の火星。かつての火星に供給?生成された有機窒素化合物が、炭酸塩鉱物に取り込まれ長期間保存された後、隕石として地球へ飛來した。
(c) Koike et al. (2020) Nature Communications

論文情報

論文タイトル:In-situ preservation of nitrogen-bearing organics in Noachian Martian carbonates

著者:Mizuho Koike1*, Ryoichi Nakada2, Iori Kajitani1,3, Tomohiro Usui1,4, Yusuke Tamenori5, Haruna Sugahara1, and Atsuko Kobayashi4,6 (*責任著者)

所屬機関:

1) Department of Solar System Sciences, Institute of Space and Astronautical Science, Japan Aerospace Exploration Agency. 3-1-1 Yoshinodai, Chuo-ku, Sagamihara, Kanagawa 252-5210, Japan.
2) Kochi Institute for Core Sample Research, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC). 200 Monobe, Nankoku, Kochi 783-8502, Japan.
3) Department of Earth and Planetary Science, The University of Tokyo. 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033, Japan.
4) Earth-Life Science Institute, Tokyo Institute of Technology. 2-12-1 Ookayama, Meguro, Tokyo 152-8550, Japan.
5) Spectroscopy and Imaging Division, Japan Synchrotron Radiation Research Institute. 1-1-1 Koto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo 679-5198, Japan
6) Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91125, U.S.A.

DOI: 10.1038/s41467-020-15931-4