科學研究 - 東京工業大學等在土星人造衛星的海洋中發現生命必需元素——高濃度的磷

東京工業大學國際先驅研究機構地球生命研究所的關根康人所長（教授）和丹秀也研究員（現爲海洋研究開發機構超先銳研究開發部門青年調查研究員）、海洋研究開發機構的澀谷嶽造主任研究員等人組成的研究團隊與柏林自由大學（德國）的弗蘭克·波斯特貝格（Frank Postberg）教授等共同發佈稱，在土星人造衛星的土衛二（Enceladus，恩開多斯）的海洋中發現地球生命的必需元素——磷，並且以地球海水的數千至數萬倍的高濃度濃集。研究團隊查明磷濃集的終極因數在於鹼性且高碳酸濃度的海水與岩石發生的反應。該成果將有助於闡明地球生命起源，併爲未來的探索計劃提供指標。該成果已發表在國際學術期刊《Nature》6月14日號上。

圖1. 土衛二的内部存在接觸岩石核心的地下海洋，海床有熱液噴口。土衛二的南極附近的裂縫中有羽流噴出（供圖：NASA/JPL）。

美國國家航空太空局（NASA）研製的土星探測器卡西尼號（Cassini）於1997年發射升空，2004年抵達土星，並持續探測直至2017年，爲人類帶來了新的認知。觀測結果表明，土星的人造衛星之一「土衛二」擁有生命所需的全部三種元素：液態水、有機物質和能量。土衛二是一個直徑約500公里的天體，在覆蓋表層的厚冰之下存在岩石核心和地下海洋。從土衛二南極附近的裂縫向太空噴出海水，用偵檢器透過其中並分析海水後發現，地下海的海水爲溫度爲90℃、pH值爲9～11、並含有大量二氧化碳的高濃度碳酸水。

在此之前，關根所長等人的日本研究團隊在2015年已明確，土衛二的地下海中存在海床熱液噴口。

另外，弗蘭克·波斯特貝格教授等人的歐美研究團隊對卡西尼號搭載的灰塵分析儀捕捉到的土衛二噴出的海水等數百個微粒子進行了數據分析，詳細研究了每個粒子的組成等。

此次，弗蘭克·波斯特貝格教授等人發現，獲得的粒子中除了鈉鹽以外，還存在含有高濃度磷酸的粒子。345個粒子中有9個粒子含有磷酸。

此外，根據含有磷酸的粒子佔所獲得的總粒子的比率，可以估算出海水中的磷酸濃度爲0.8-21mmol/kg（毫摩爾/公斤）。而地球海水中的磷酸濃度爲500nmol/kg（納摩爾/公斤），因此得出土衛二海水中的磷濃度比地球高出數百倍。

另一方面，尚不清楚是什麼因素導致了這種極高的濃度。

因此，關根所長等人的研究團隊根據之前的研究中獲得的資料，使用類比土衛二海水（NaHCO3+NH3溶液）和類似於構成海床的岩石的碳質球粒隕石（類比岩石核心）的粉末，在土衛二地下海的熱液環境條件（300氣壓、150℃）下進行了反應實驗。

結果發現，在土衛二的地下海中，由於鹼性且高碳酸濃度的海水與岩石反應，導致岩石中所含的磷酸溶解到海水中，從而引起磷濃縮。

此外，據推測，這種水環境可在土星的其他人造衛星、天王星/海王星的人造衛星、冥王星等太陽系外側冰天體的地下海中普遍實施。如果能夠在這些天體上獲得生命痕跡的話，則該生命的化學組成很可能與地球生命相似。

對於地球生命來說，磷是構成DNA和細胞膜的磷脂等生命活動的基礎，但在目前地球上的水環境中十分匱乏。儘管存在於岩石中，但生命只能利用溶解在水中的磷。根據生命起源論，磷酸濃集的水環境對於上述合成不可缺少，但目前尚不清楚如何實施。此次研究證實了磷酸濃集真實存在於地球外的海洋中。

原始地球擁有厚厚的二氧化碳大氣層，作爲可能發生磷酸濃集的環境，據猜想海床存在噴出鹼性熱液的熱液噴口，而這次的結果極大驗證了這一猜想。

關根所長表示：「這次發現揭示了與地球生命在物質化學上相似的生命普遍存在於太陽系外側的可能性，同時爲現實中的下一次土衛二探測提供了觀測目標。」

原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部