バイオシグネチャー

バイオシグネチャーは、同様の物理的、スペクトル的、化学的特徴を生み出す他のすべてのプロセスよりも優位に立つことができなければなりません。多くの生命形態が地球化学反応を模倣することが知られています。生命の起源に関する理論の1つは、分子が地球化学反応を触媒する能力を発達させ、それによって放出されるエネルギーを利用するというものです。これらは、最も初期に知られている代謝の一部です（メタン生成を参照）。^{[ 2 ] [ 13 ]}このような場合、科学者は地球化学サイクルの不均衡を探すかもし​​れません。これは、反応が本来よりも頻繁に、またはまれに起こっていることを示唆します。このような不均衡は、生命の兆候として解釈される可能性があります。^{[ 13 ]}しかし、不均衡を調べるときは、環境の文脈を考慮することが重要です。なぜなら、すべての大気不均衡が生物的原因によるものではないからです。たとえば、前生物的環境では、火山活動による化学的不均衡が生じる可能性があります。^{[ 14 ]}

バイオシグネチャーは、探査機、望遠鏡、または人間がそれを検出できるほど十分に長く持続する必要があります。生物がエネルギーを得るために代謝反応を利用すると、代謝老廃物が生成されます。さらに、生物の構造は化石として保存されることがあり、地球上の化石の中には35億年前のものもあることがわかっています。^{[ 2 ] [ 4 ]}これらの副産物は、生命の直接的な証拠となるため、優れたバイオシグネチャーになり得ます。しかし、有効なバイオシグネチャーとなるためには、副産物はその後もそのままの状態で残り、科学者がそれを発見できるようにする必要があります。

バイオシグネチャーは、科学的調査において有効とみなされるためには、現在の技術で検出可能でなければならない。これは一見単純なことのように思えるが、惑星上に生命が存在していても、観測や技術的な限界のために検出されないケースは数多く存在する。

地球の古代の記録は、微生物の生命がどのような地球化学的特徴を生み出し、これらの特徴が地質学的時間を通じてどのように保存されるかを知る機会を与えてくれます。地球化学、地球生物学、地球微生物学などの関連分野では、生物の特徴を利用して、サンプル中に生物が存在するか、または存在していたかを判断することがよくあります。考えられる生物の特徴には、(a)微化石とストロマトライト、(b)有機物中の炭素、窒素、水素の分子構造(バイオマーカー) と同位体組成、(c) 鉱物の複数の硫黄と酸素の同位体比、(d) 酸化還元感受性金属 (Fe、Mo、Cr、希土類元素など) の存在量関係と同位体組成などがあります。^{[ 16 ] [ 17 ]}

例えば、サンプルで測定された特定の脂肪酸は、その環境に生息する細菌や古細菌の種類を示すことができます。別の例としては、浮遊細菌によって生成される23個以上の原子を持つ長鎖脂肪アルコールがあります。^{[ 18 ]}この意味では、地球化学者はバイオマーカーという用語を好むことが多いです。別の例としては、土壌や堆積物中に20 ～ 36個の炭素原子を持つアルカン、アルコール、脂肪酸の形で存在する直鎖脂質があります。泥炭堆積物は、高等植物の表皮ワックスに由来することを示しています。

生命活動は、核酸、脂質、タンパク質、アミノ酸、ケロゲン様物質、岩石や堆積物で検出可能なさまざまな形態的特徴など、さまざまなバイオシグネチャーを生成する可能性があります。^{[ 19 ]}微生物はしばしば地球化学的プロセスと相互作用し、岩石記録にバイオシグネチャーを示す特徴を残します。たとえば、炭酸塩岩中の細菌のマイクロメートルサイズの孔は、透過光の下では包有物に似ていますが、一般的な流体包有物とは異なるサイズ、形状、パターン（渦巻き状または樹枝状）を持ち、分布も異なります。^{[ 20 ]}潜在的なバイオシグネチャーは、生命によって生成された可能性のある現象ですが、他の非生物的起源も考えられます。

もう一つの可能​​性のあるバイオシグネチャーは形態学である。特定の物体の形状や大きさは、過去または現在の生命の存在を示す可能性があるからだ。しかし、形態学は決定的な証拠とはなり得ないため議論を巻き起こし、地球上の初期生命の存在に関する主張をめぐる論争につながっている。

ストロマトライトは化学的に識別するのが難しく、形態のみに基づいて主張されることもあります。しかし、地質学的プロセスによって偽陽性候補が生じる可能性があります。西グリーンランドの37億年前の構造は、地殻変動プロセスによって説明できる可能性があります。^{[ 21 ] [ 22 ]}

単一の化合物で生命がかつて存在したことを証明することはできません。むしろ、選択の過程を示す有機化合物に存在する特徴的なパターンがそれを証明します。^{[ 23 ]}例えば、分解された細胞によって残された膜脂質は濃縮され、サイズ範囲が限られており、偶数個の炭素から構成されます。同様に、生命は左巻きアミノ酸のみを使用します。^{[ 23 ]}ただし、バイオシグネチャーは化学的なものでなくてもよく、特徴的な磁気バイオシグネチャーによって示唆されることもあります。^{[ 24 ]}

化学的バイオシグネチャーには、炭素、水素、および酸素、窒素、硫黄などの他の元素またはヘテロ原子から構成される複雑な有機化合物のあらゆるセットが含まれます。これらは原油、瀝青、石油根源岩に見られ、最終的にはすべての生物に見られる親有機分子から分子構造が単純化されます。これらは、かつて生きていた生物に由来する複雑な炭素ベースの分子です。^{[ 25 ]}有機物が原油に変換されるのに必要な時間は特徴的であるため、各バイオマーカーは対応するものと比較して非常に特徴的です。 ^{[ 26 ]}ほとんどのバイオマーカーは通常、高分子量も持っています。^{[ 27 ]}

石油中に見られるバイオマーカーの例としては、プリスタン、トリテルパン、ステラン、フィタン、ポルフィリンなどがある。このような石油バイオマーカーは、生化学化合物を主成分として化学合成によって生成される。例えば、トリテルペンは陸上被子植物に見られる生化学化合物から誘導される。^{[ 28 ]}石油バイオマーカーは貯留岩や根源岩中に少量しか存在しないため、これらの化合物の存在を分析するには、高感度かつ識別的な手法を用いる必要がある。一般的に用いられる技術には、ガスクロマトグラフィーや質量分析法などがある。^{[ 29 ]}

石油バイオマーカーは、堆積領域を示し、石油の地質学的特性を決定するのに役立つため、石油検査において非常に重要です。たとえば、石油バイオマーカーは、石油の成熟度と起源物質に関するより詳細な情報を提供します。^{[ 30 ]}さらに、石油バイオマーカーは年代の優れたパラメータにもなり得るため、技術的には「化学化石」と呼ばれています。^{[ 31 ]}プリスタンとフィタンの比率（pr:ph）は、石油バイオマーカーが堆積環境の有効な指標となることを可能にする地球化学的要因です。^{[ 32 ]}

地質学者や地球化学者は、原油やそれに関連する根源岩に含まれるバイオマーカーの痕跡を利用して、現在存在する石油鉱床の地層起源や移動パターンを解明します。 ^{[ 33 ]}バイオマーカー分子の分散も、油の種類やその起源ごとに非常に特徴的であるため、独自の指紋を示します。石油バイオマーカーが他のバイオマーカーよりも好ましいもう1つの要因は、環境風化や腐食に対する耐性が高いことです。^{[ 34 ]}このようなバイオマーカーは非常に有利であり、主要な水路での油流出の検出によく使用されます。 ^{[ 25 ]}同じバイオマーカーは、潤滑油の汚染を特定するためにも使用できます。^{[ 35 ]}ただし、未処理の岩石切削片のバイオマーカー分析では、誤解を招く結果が生じる可能性があります。これは、岩石サンプル中の炭化水素汚染や生物分解の可能性によるものです。 ^{[ 36 ]}

系外惑星の大気特性は特に重要です。なぜなら、大気は居住可能性指標やバイオシグネチャーなど、近い将来に観測できる可能性が最も高いものだからです。^{[ 37 ]}数十億年もの間、惑星上の生命のプロセスは、通常の化学平衡では形成されないような化学物質の混合物をもたらします。^{[ 15 ] [ 2 ] [ 38 ]}例えば、地球上の生命は大量の酸素と少量のメタンを生成します。

系外惑星の色、つまり反射スペクトルは、光合成生物や光栄養生物の色素など、生物起源の色素の影響により、バイオシグネチャーとしても使用できます。 ^{[ 4 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 5 ]}科学者は、遠くから見た地球（「ペールブルードット」を参照）を、太陽系外で観測される世界との比較の例として使用しています。^{[ 7 ]}生命体への紫外線照射は、開発中の次世代宇宙観測所で検出される可能性のある可視波長での生物蛍光を引き起こす可能性もあります。 ^{[ 41 ] [ 42 ]}

一部の科学者は、地球外大気中の水素とメタンを検出する方法を報告している。^{[ 43 ] [ 44 ]}居住可能性指標とバイオシグネチャーは、惑星および環境の文脈の中で解釈されなければならない。^{[ 8 ]}例えば、酸素とメタンが共存することは、生命によって生み出される極端な熱化学的不均衡の種類を示す可能性がある。^{[ 45 ]}提案されている上位14,000の大気バイオシグネチャーのうち2つは、ジメチルスルフィドとクロロメタン（CH4）である。₃ Cl)。 ^{[ 38 ]}代替バイオシグネチャーはメタンと二酸化炭素の組み合わせです。 ^{[ 46 ] [ 47 ]}

大気中のガス種の存在量の不均衡は、バイオシグネチャーとして解釈できます。生命は地球の大気を大きく変化させており、他のプロセスでは再現できない可能性があります。したがって、平衡からの逸脱はバイオシグネチャーの証拠となります。^{[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]}例えば、地球の大気中のメタンの存在量は、地表の生命が放出する一定のメタンフラックスのために、平衡値より桁違いに高くなっています。^{[ 51 ] [ 53 ]}宿主星によっては、他の惑星のメタン存在量の不均衡がバイオシグネチャーを示す可能性があります。^{[ 2 ]}

地球上の生命の唯一の既知の例であるため、バイオシグネチャーの探索は、地球上の生命に関連する産物やプロセスに大きく影響されます。しかし、地球上の生命とは根本的に異なる生命であっても、その具体的な生物学的特徴が不明であっても、検出可能なバイオシグネチャーを生成する可能性があります。このような指標は、それらを生成する生命の生化学的性質に関する仮定に依存しないため、「不可知のバイオシグネチャー」と呼ばれます。地球上の生命とどれほど異なっていても、すべての生命は繁栄するためにエネルギー源を必要とすることは広く受け入れられています。^{[ 2 ]}これは、代謝プロセスを支えることができる化学的不均衡を伴う必要があります。^{[ 4 ] [ 49 ] [ 50 ]}地質学的プロセスは生物学とは独立して作用し、惑星の地質学的状態が十分に制約されている場合、予想される地球化学的平衡を予測できます。この平衡からの逸脱は、大気の不均衡を示し、潜在的な不可知のバイオシグネチャーとして機能する可能性があります。

バイオシグネチャーの検出が生命の存在の証拠となるのと同様に、生命の不在を強く示唆する条件の特定は科学的に重要な意味を持つ。このような指標はアンチバイオシグネチャーと呼ばれる。既知のすべての生命はエネルギーを得るために酸化還元勾配に依存しているため、生命のない環境では大きな酸化還元不均衡または大量の未使用の化学的自由エネルギーが蓄積される可能性がある。このような不均衡が生物学的処理の証拠なしに持続する場合、利用可能なエネルギーを利用する生物が存在しないことを示唆する可能性がある。^{[ 54 ]}この文脈では、強力で利用されていない化学的不均衡は、生物学的活動が起こりそうにないことを示唆することで、アンチバイオシグネチャーとして機能する可能性がある。^{[ 14 ]}

遺伝子のポリエレクトロライト理論は、提案されている一般的なバイオシグネチャーです。2002年、スティーブン・A・ベナーとダニエル・ハッターは、 DNAなどの水に溶解した線状の遺伝性生体高分子が宇宙のどこかでダーウィン進化を起こすためには、繰り返しイオン電荷を含むポリマーであるポリエレクトロライトでなければならないと提案しました。^{[ 2 ]}ベナーらは、火星^{[ 4 ]}、エンケラドゥス^{[ 4 ] 、エウロパ[ 5 ]}でこれらのポリエレクトロライト遺伝性生体高分子を濃縮および分析する方法を提案しました。

太陽系外では、生命の痕跡が確認または有力視された事例はこれまでありません。しかし、次世代望遠鏡の登場により、この分野は急速に発展しています。2021年12月に打ち上げられたジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、生命の痕跡を探す上で有望な次のステップとなるでしょう。その波長範囲と解像度は、酸素などの重要な大気中の生命の痕跡ガス帯には対応していませんが、酸素の偽陽性メカニズムの証拠は検出できるでしょう。^{[ 45 ]}

ハビタブル・ワールド・オブザーバトリーは、現在設計中のNASAの望遠鏡で、2040年代に打ち上げられる予定です。この望遠鏡は、居住可能な可能性のある系外惑星を特にターゲットとし、地球型系外惑星の潜在的な生命の痕跡を特徴づけ、観測することを目的としています。^{[ 48 ]}

新世代の地上設置型30メートル級望遠鏡（30メートル望遠鏡および超大型望遠鏡）は、さまざまな波長で系外惑星の大気の高解像度スペクトルを取得する能力を持つ。^{[ 52 ]}これらの望遠鏡は、光分解による酸素の非生物的蓄積など、より困難な偽陽性メカニズムを区別することができる。さらに、その大きな集光面積により、高い角度分解能が可能になり、直接撮像研究がより実現可能になる。