科学者が隕石中の有機化学を深く研究し、数万種の炭素系分子構造を明らかにする

科学者らが2つの隕石に保存されている有機化学物質を異例の細かさで分析し、数万種にのぼる炭素系分子を明らかにするとともに、個々の分子構造の画像化に初めて成功した。この研究には、National High Magnetic Field Laboratory（MagLab）、Florida State University、Brookhaven National Laboratoryの研究者が参加した。研究チームはMagLabの超高分解能質量分析計とBrookhavenの原子スケールの顕微鏡を用いて、1969年にオーストラリアに落下したMurchison meteorite（マーチソン隕石）と、2019年にコスタリカに落下したAguas Zarcas meteorite（アグアス・サルカス隕石）の破片を調べた。

研究成果はThe Planetary Science Journalに発表された。

化学タイムカプセルとしての隕石

隕石は化学タイムカプセルとして機能し、太陽系が形成された時代の物質を保存している。マーチソン隕石は炭素質コンドライトであり、豊富な有機物を含んでいることから特に貴重で、落下以来、広く研究されてきた。新しい分析にはMagLabの21テスラ・フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴（FT-ICR）質量分析計が用いられ、極めて複雑な混合物の中から大量の化合物を識別することが可能になった。研究チームは分析に先立ち、有機溶媒を用いて隕石の微細な破片を溶解した。この技術により、各隕石中に数万種もの炭素系分子が含まれていることが明らかになった。

この数字は、科学者が数万種もの完全に固有な分子構造を同定したことを意味するわけではない。質量分析は主に存在する分子式を明らかにするものであり、異なる分子構造が同じ分子式を持つこともあり得る。

Brookhavenの科学者Percy Zahl（パーシー・ザール）氏は、高分解能非接触原子間力顕微鏡を用いて、隕石物質中の個々の分子を調べた。この技術では、極めて鋭い探針を表面上で浮遊させる。顕微鏡は分子に物理的に接触するのではなく、探針と物質の間の相互作用を測定して構造を画像化する。ある分子の元素組成が分かっても、原子がどのように結合しているかは必ずしも明らかにならない。異なる配列は、同じ化学式を持ちながらも構造の異なる分子を生む可能性がある。研究チームは、このような複雑な混合物中で個々の分子を画像化するには、数日から数か月におよぶ気の遠くなるような作業が必要となり得ると述べている。

研究チームは、隕石物質に対してこのような顕微鏡が使用されたのは、報告としては3例目だと指摘している。

異なる隕石の化学的特徴

この組み合わせは、科学者に2つの補完的な視点をもたらした。質量分析は幅広い化学的在庫を提供し、顕微鏡は選ばれた分子の構造を明らかにする。マーチソンとアグアス・サルカスの比較からは、もう一つの重要な結果が得られた。この2つの隕石は、炭素に富む同じ種類の隕石であり、外見も似ているにもかかわらず、分子指紋は大きく異なっていた。複雑な分子組成が共通していたのは比較的わずかな割合にすぎなかった。これは、これらの物質の母天体が、その後の形成と進化の過程で異なる化学環境を経たことを示唆している。この結果は、初期の太陽系が化学的に均一ではなかったという証拠をさらに補強するものである。

小惑星は、加熱、変成、水が関わる反応、その他の過程の異なる組み合わせを経て、それぞれに固有の化学特徴を残し、最終的に地球まで運ばれた可能性がある。マーチソン自体は特に古い。研究チームはこれを少なくとも55億年の歴史を持つと述べており、地球よりも古く、地球が形成される前の物質を理解するための窓を提供している。

この発見は、生命、あるいは生命の直接的な前駆体がこれらの隕石に由来することを示すものではない。その代わり、地球外の物質が持つ化学的な豊かさを示している。有機化合物は隕石中に広く存在し、一部の隕石は太陽系形成の最も初期の段階以前またはその間に存在した物質を保存している。マーチソン隕石はこれまでにも、太陽の形成以前に生成され隕石内部に保存された微小な物質であるプレソーラー粒子の証拠を提供してきた。マーチソン隕石の大部分を所蔵するシカゴのField Museumは、これを最も広く研究されている炭素質コンドライトの一つと位置づけている。

新たな研究は、この調査をさらに精緻な方向へと推し進めた。もはや、どの元素や分子が生き残ったかを探るだけでなく、個々の地球外分子が実際にどのような姿をしているかの特定を始めたのである。このような化学マッピングと分子イメージングの組み合わせは、研究者に初期太陽系の有機物在庫についてより詳細な像を提供し、惑星、ひいては生命がいかにして出現したのかを理解するための化学的出発条件の解明に寄与する可能性がある。

初期太陽系への隕石研究の示唆

隕石の研究は、初期太陽系の化学環境に対する深い洞察をもたらす。マーチソン隕石に特有な性質は、隕石が形成期の物質を保存しているだけでなく、異なる小惑星の化学的進化の過程をも反映していることを示している。これらの発見は、初期太陽系の化学的多様性を強調するものであり、生命誕生の条件を理解するための重要な手掛かりを提供する。隕石中の有機化合物が生命の前駆体である可能性があり、地球外生命の探求をさらに推し進めるものとなる。