国際共同木星総合探査計画LAPLACE・WG会合 2008年1月28日（月） 13:45～14:30 東工大・石川台2号館115号室 エウロパ探査の魅力 広島大学 大学院 生物圏科学研究科 長沼 毅 [email protected] 固体天体表層：生物学的に何が問題か？ 熱（中心母星の型、距離、tidal lock） 圧力（気圧、大気） 大気の酸化・還元状態 液体の水 塩分、pH、Eh 大陸の形成（マグマの酸化、炭酸塩） 分子、電子の授受（酸化還元） 熱水噴出孔、地下生物圏 放射線の遮蔽 大気の遮蔽効果 アポロ月ミッション スペースシャトルSTS-81 国際宇宙ステーション内 国際線航空機高度（11 km） 海上 日本人平均 （うち宇宙線 法令で定める線量限度 440 mSv year-1 330 mSv year-1 180 mSv year-1 14 mSv year-1 0.3 mSv year-1 2.4 mSv year-1 0.4 mSv year-1 ） 50 mSv year-1 遮蔽効果は物質の「量」で決まる： 大気（100 km）＝地表で1気圧＝水柱10 m 水柱10 m ＝ 岩石 3～4 m 大気の遮蔽効果 アポロ月ミッション スペースシャトルSTS-81 国際宇宙ステーション内 国際線航空機高度（11 km） 海上 日本人平均 （うち宇宙線 法令で定める線量限度 致死線量 （線量率？） 440 mSv year-1 330 mSv year-1 180 mSv year-1 14 mSv year-1 0.3 mSv year-1 2.4 mSv year-1 0.4 mSv year-1 ） 50 mSv year-1 ヒト LD100 7～8 Gy 分子死 1,000 Gy (≒Sv） 放射線耐性菌 26,400 Gy 〔60 Gy hr-1なら死なない〕 大気の遮蔽効果 火星ミッション アポロ月ミッション スペースシャトルSTS-81 国際宇宙ステーション内 国際線航空機高度（11 km） 海上 日本人平均 （うち宇宙線 法令で定める線量限度 致死線量 （線量率？） ヒト LD100 分子死 放射線耐性菌 1,000 mSv trip-1 440 mSv year-1 330 mSv year-1 180 mSv year-1 14 mSv year-1 0.3 mSv year-1 2.4 mSv year-1 0.4 mSv year-1 ） 50 mSv year-1 7～8 Gy 1,000 Gy (≒Sv） 26,400 Gy 火星由来の隕石は意外と低温で地球にやって来た ALH84001の惑星間飛行 約40～39億年前の隕石衝突で変成。 （このときは火星から飛び出なかった） 約1500万年前の隕石衝突で火星脱出。 約1万3000年前に地球の南極に落下。 1984年12月のANSMET（米）で発見（1.93 kg）。 http://www.nasda.go.jp/press/1999/03/img/radiat_990303a_f23_j.gif 10-3 cm-2 d-1 [104 MeV]-1 ＝ 10-7 cm-2 d-1 108 cm2＝1 ha で1日10ヒット 1 m2 だと 103日 （2.7年）で1ヒット 104 MeV ＝10 GeV 隕石内ハビタブルゾーンにおける 放射線・衝突の影響評価 高エネルギー 重粒子 (>10 GeV) Hab. Zone 隕石 「方舟」 謎の深海生物 チューブワーム ゆうしゅ 有鬚動物門ハオリムシ綱 消化器官（口・胃腸・肛門） がない 食べることをやめた動物 栄養供給は体内の 共生微生物に依存する 海底火山（熱水噴出孔）やメタン湧出に生息 チューブワームの体構造 イオウ酸化細菌 イオウ（硫化水素）の酸化から 化学エネルギーを得て、それで CO2固定（独立栄養）を行う。 まるで、植物（葉緑体）が光エ ネルギーを用いてCO2固定 （独立栄養）を行うみたい。 これは 暗黒の光合成 と言える （専門的には化学合成と言う） 光合成 vs. 化学合成 Eating the Planet Earth 究極的に何を食べて生きるか Herbivory Carnivory Ominivory 草食 肉食 雑食 Heliovory 太陽食（Heliocentricism） Geovory 地球食（Geocentricism） Planetovory 惑星食 (海と火山のある惑星) チューブワームの夢 熱水中の微生物 周囲海水 104 ml-1 熱水 105 ml-1 μm μm 熱水パイライト上の微生物 アーキアン パーク計画 熱水噴出孔の 下を掘る IODP 国際深海掘削計画 JOIDES Resolution号 統合国際深海掘削計画 IODP 地球深部探査船「ちきゅう」 JOIDES Resolution号 地下生物圏研究 バイオカッター 嫌気グローブボックス 地下生物圏のバイオマス（生物量） 生物量 〔総体重〕 陸上と海洋 地下生物圏 植物 1～2兆トン 0 動物 （人間） <100億トン （3億トン） 0 （0） 微生物 3000億トン 3～5兆トン 岐阜県・東濃鉱山で先駆けました ここの蛇口から出る地下水は 約１万年前に降った雨水！ 東濃地科学センター／東濃鉱山 東濃鉱山 地下125m ウラン鉱床が露出している場所もある 東濃鉱山 地下ラボ 地下125 m 日経新聞2001年12月8日夕刊より 東濃鉱山 地下ラボ 地下125 m （地球化学ラボ） 嫌気グローブボックス 水質モニタリング装置 地下水採取 試錐孔 東濃花崗岩の地下水微生物 瑞浪超深地層研究所 岐阜県瑞浪市 2004年10月14日 水成岩（堆積岩）と火成岩 有機物（栄養）を含んでいる ここでは変成岩は とりあげない。 花崗岩 （結晶質の火成岩） 有機物はない → 栄養はどこから摂るのだろう？ 地下の 食物連鎖 地下は酸欠 多様な酸化剤を 使う嫌気呼吸の 連鎖と階層構造 地底の海： 惑星生命観 Heliocentricism Geocentricism 地底の海（subsurface ocean） 南極氷床下湖（ボストーク湖） 77oS, 105oE 3538 m 3743 m 3603 mで 観察された 微生物 Karl et al. (1999) Science, 286, 2144-2147. 南極氷床下（パラレル）ワールド 宇宙空間へ 光合成 暗反応 酸素呼吸 光合成 明反応 有機物 有機物 地底 の海 岩石に取り 込まれる 地熱 生命とは何か？ 細胞・個体レベル 「負のエントロピー」を食って、構造と情報の 秩序を保つシステム（Schroedinger, 1944） 惑星生物圏レベル 還元端 と 酸化端 の間で揺れ動く炭素化合物 （メタン）（二酸化炭素） （有機物） CH4 ⇔ CH2O ⇔ CO2 H2O 還元力 酸化力 H2 O CH4 CH2O メタン 生命／有機物 CO2 二酸化炭素 ゆく河の流れは絶えずして ゆく河の流れは絶えずして、 しかももとの水にはあらず。 よどみに浮かぶうたかたは かつ消え、かつ結びて、 久しくとどまりたるためしなし。 『方丈記』 鴨長明 （1212） ゆく河の渦も絶えずして、 しかももとの水分子にはあらず。 （詠み人知らず、2004） 人体の代謝回転（turnover） 私をつくる原子・分子は数ヶ月で入れ替わる。 私は、物質的には、一年前の私とは違う。 つまり、私は一年前の約束を守る義務がない。 しかし、人々は、私に言う、 一年前の約束を守れと。 何故か？ それは人々が、私の ＩＤ を 物質にではなく、私という 「生命の渦」（パターン）に 置いているからだ。 H2O 還元力 酸化力 H2 O CH4 CH2O メタン 生命／有機物 CO2 二酸化炭素 地球生物圏 宇宙空間へ 水素 + 酸素 （H2) （O2) 光による分解 光合成 液体の水 メタン → 有機物 → 二酸化炭素 CH4 ← CH2O ← CO2 地熱に よる分解 岩石に 取込まれる 酸素 + 水素 （O2) （H2) 生命 表面温度 大気組成 CO2 N2 O2 なし あり –20 15℃ 98% 0.03% 1.9% 79% trace 21% 宇宙空間へ 光による分解 金星生物圏 水素 + 酸素 （H2) （O2) 水蒸気 メタン → 有機物 → 二酸化炭素 CH4 ← CH2O ← CO2 平均表面温度 480℃ 地熱に 大気組成 CO2 98% よる分解 N2 1.9% O2 trace 岩石に 酸素 + 水素 質量 地球の82％ 取込まれる （O2) （H2) 表面重力 地球の91％ 液体の水 宇宙空間へ 火星生物圏 水素 + 酸素 （H2) （O2) 光による 分解 メタン → 有機物 → 二酸化炭素 CH4 ← CH2O ← CO2 平均表面温度 －50℃ 地熱に （－140～＋20℃） よる分解 大気組成 CO2 95% N2 2.7% O2 0.13% 岩石に 酸素 + 水素 質量 地球の11％ 取込まれる （O2) （H2) 表面重力 地球の38％ 液体の水 木星のガリレオ衛星の内部構造 Io Ganymede Europa Callisto 木星第一衛星イオの火山活動 5ヵ月後 木星第二衛星・エウロパの海 木星第一衛星・ イオの火山活動 エウロパの 氷殻表面 エウロパの 氷殻下海 海があるところ、 地底だろうが エウロパだろうが 海の男・女の心意気！ 氷殻 5-50 km 海洋 50-100 km 宇宙空間へ エウロパ生物圏 水素 + 酸素 （H2) （O2) 光による 分解 液体の水 メタン → 有機物 → 二酸化炭素 CH4 ← CH2O ← CO2 地熱に よる分解 岩石の 取込量は 少ない？ 平均表面温度 －110℃ 質量 酸素 + 水素 （O2) （H2) 地球の0.008％ 表面重力 地球の13％ エウロパ海の水深 50 km ＝地球海の水深 6.5 km エウロパであり得る反応 CO2 (aq) + 4H2 (aq) ⇔ CH4 (aq) + 2H2O (l) 〔サバチエ反応〕 2Fe(OH)3 (aq) + H2 (aq) ⇔ 2FeO (s) + 4H2O (l) フィッシャー-トロプシュ反応 高温・高圧 H2 + CO ↓ -CH2- CO2 H2O Fisher-Tropsch synthesis (F-T synthesis) 石油化学業界では よく知られた合成反応 好熱菌による水素酸化 2H2 + O2 2H2O Aquifex pyrophilus （普通の水素酸化菌の反応） Pyrolobus fumarii Hydrogenobacter thermophilus 4H2 + CO2 CH4 +2H2O Methanopyrus kandleri （サバチエ反応的な水素酸化） Methanothermus fervidus 好熱菌による H2酸化 Thermophilic oxidation of H2 and CO 10 9 Growth pH 8 7 6 5 4 3 4H2+CO2 2H2+O2 CO+H2O 2 1 0 30 40 50 60 70 80 90 Growth temperature ( oC) 100 110 120 サバチエ反応 Fisher-Tropsch反応の一部 4H2 +CO2 CH4 + 2H2O 宇宙ステーションへも応用： ●ＣＯ２濃縮 ●ＣＯ２還元 Paul Sabatier (1854-1941) 1912年ノーベル化学賞 ●Ｏ２のリサイクル 生物圏を支える「水の分解」－地下では何が起きているか 光による水の分解（光合成明反応）！ CO2 + H ↓ 有機物 H+O ↑ H2O 光合成暗反応 （CO2還元） 呼吸 （有機物酸化） CH4 H2S NH3 Fe2+ 還元力 地熱による 水の分解？ O + （有機物） ↓ CO2 ？ H+O ↑ H2O Fe3+ NO3- SO42- CO2 酸化力 放射線による 水の分解？ 木星（エウロパ）探査：私のツボ 熱源：潮汐加熱 熱流量 海水組成：溶存塩類 40Kその他による水の分解：酸素源 イオのプラズマトーラス（IPT） 木星のバンアレン帯：放射線 土星のツボ タイタン：エタン・メタン「非極性」海 エンケラドゥス：熱源
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