「地球外生命体を光で探す」新手法

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Brandon Keim

比較的地球に似ているとされる太陽系外惑星『グリーゼ581c』
Karen Wehrsteinによる想像図。Image: NASA

光が光合成細胞に反射する際に残す、光子の特徴的な痕跡。これを計測することが、近い将来、地球外生命体を探索する新たな手法につながるかもしれない。

「太陽系内で、その惑星に生命が存在するかどうかを高確率で判定できる方法は何かと考えた場合、生命発見の手がかりに使える可能性があるのは円偏光だ」と話すのは、宇宙望遠鏡科学研究所(STScI)の宇宙生物学者Neill Reid氏だ。

生命を見つける手がかりとしてはほかにも、生物学的なプロセスによって生じるガスや、放射線耐性を持つ微生物が反射する赤外線などが候補に挙がっている。しかし、これらの手法には限界がある。すべての微生物が放射線耐性を持つわけではないし、通常は生命活動に関連付けられるガスが、非生物学的なプロセスによって生じる場合もある。

今回提案されている新たな手法は、一部の光子が、分子に衝突した後、波長の形がらせん状に近くなる傾向を利用したものだ。このような光子は円偏光の状態にあるとされ、その進路は、光子をスピンさせる分子によって決定付けられる。

そのため、「生命に特有な円偏光」を測定できる分光器を望遠鏡に取り付ければ、「生命全般の探査に使える強力な遠隔探査技術」が得られるはずだ、と『米国科学アカデミー紀要』(PNAS)に4月28日付けでオンライン掲載された研究論文は主張している。

図中のテキスト(上から)：光電子増倍管、回折格子分光器、レンズ、偏光子、光弾性変調器、積分球、ファイバー結合された光源、調節装置、試料、光の拡散板
Image credit: PNAS

このシステムは、すべての生命体がいわゆる「ホモキラル」な分子の集まりでできている、という傾向に依存している。分子間ではしばしば、それを構成する原子は同じでも、その配置が鏡像のように左右対称になっているということがある。これはいわば分子の「利き手」であり、そのような性質をキラリティーという[キラルはキラリティーがあるという意味。ホモキラリティーはその性質がどちらか一方の側に偏っていること]。地球の全生物のアミノ酸は左利き[左手系]であり、一方、DNAとRNAは右利き[右手系]の分子からなる。

Reid氏と、同じくSTScIのBill Sparks氏、およびハートフォードシャー大学の天体物理学者James Hough氏らによる研究チームは、2番目の図のような装置[偏光計]を使い、2種の光合成細菌に光を照射して、それらが反射する円偏光の波長を特定した。

同様の特徴が、より複雑な生命体にも見られるかどうかは分かっていない。しかし研究者らは、これらの細菌が、地球で30億年前に進化した種の直系の子孫であり、宇宙の他の惑星に存在するかもしれない初期の生命が、これらと似たものである可能性はあり得ると考えている。

ただし、地球の生物に見られるホモキラリティーは、宇宙に普遍的なものではない可能性もある。「ホモキラリティーを一般的な性質として持たない生命が存在することも考えられる」と、アリゾナ州立大学の生化学者Sandra Pizzarello氏は話す(同氏は今回の研究には関与していない)。「地球ではアミノ酸が左手系であっても、すべての可能性を考えた場合、他の場所でもそうだとは限らない」

しかしそれでもなお、Pizzarello氏は今回の研究を「創意に富んでいる」と評価する。地球外生命の探査にかんしては、すべて地球上での仮説を基に研究を進めるしかなく、今回の研究は少なくとも根拠はある、とPizzarello氏は言う。「光合成はどこでも行なわれている可能性が高いと彼らは主張しているが、それはそのとおりだ」

ホモキラリティーが普遍的な性質だという仮説に真実味を増しているのが、地球に落下した隕石に含まれるアミノ酸に左手系が多く見つかっているという事実だ。

研究チームが提案する地球外生命の探査技術は、今のところまだ実験段階だが、いずれ大規模な望遠鏡や、宇宙に打ち上げられる衛星に搭載される日が来るかもしれない、とReid氏は言う。研究チームは今後、他の生物でも円偏光を測定し、さらに、火星から反射される円偏光の分析も行なう計画だ。

[地球生命におけるホモキラリティーの起源についての仮説のひとつは、太陽や惑星が誕生する以前の星間分子雲において、中性子星の出す円偏光によって、ある分子の鏡像異性体(エナンチオマー)のうち一方が選択的に光分解反応を起こし、残った鏡像異性体が優勢になりそれが地球に輸送されたという説。この説の証拠としては、太陽系形成初期からあまり変質していないと考えられているマーチソン隕石に地球上に存在していないアミノ酸が検出され、このアミノ酸がL体が優勢だったこととされる]

WIRED NEWS 原文(English)