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水素循環は、水素含有化合物の 生物的（生きている）および非生物的（無生物）の供給源とシンクの間での水素の交換で構成されます。
水素（H）は宇宙で最も豊富な元素です。[1]地球上で一般的なH含有無機分子には、水（H 2 O）、水素ガス（H 2）、硫化水素（H 2 S）、アンモニア（NH 3 ）などがあります。炭化水素や有機物などの多くの有機化合物にもH原子が含まれています。無機化合物と有機化合物に水素原子が遍在することから、水素サイクルは分子状水素H 2に焦点が当てられています。
微生物の代謝や自然に発生する岩石と水の相互作用の結果として、水素ガスが生成されることがあります。他の細菌が遊離水素を消費し、それが大気中で光化学的に酸化されるか、宇宙に失われることもあります。水素は、生命誕生前の化学反応や地球上の生命の初期の進化、そしておそらく太陽系の他の場所でも重要な反応物であると考えられています。[2]
非生物的循環
出典
水素ガスの非生物的発生源には、水と岩石の反応や光化学反応がある。水とオリビン鉱物の間の発熱性蛇紋岩化反応により、海洋または陸上の地下でH 2が生成される。 [3] [4 ]海では、温度条件と母岩の組成に応じて、熱水噴出孔からマグマが噴出し、豊富なH 2を含む海水流体が変化する。 [5] [4]分子状水素は、無酸素水性環境におけるシデライトなどの一部の鉱物種の光酸化（太陽紫外線による）によっても生成される。これは、地球初期の始生代海洋の上層部で重要なプロセスであった可能性がある。[6]
シンク
H 2 は最も軽い元素であるため、大気中の H 2 はジーンズ脱落によって宇宙空間に容易に失われる可能性があり、これは地球の純質量損失を引き起こす不可逆的なプロセスです。[7] CH 4や H 2 Oなどの逃げにくい重い化合物の光分解によっても、上層大気から H 2 が解放され、このプロセスに寄与します。自由大気中の H 2のもう 1 つの主要なシンクは、水を生成するヒドロキシルラジカル (•OH)による光化学的酸化です。 [要出典]
人為的な水素の吸収源としては、フィッシャー・トロプシュ反応による合成燃料の生産や、窒素肥料を生産するためのハーバー・ボッシュ法による人工窒素固定などがある。[要出典]
生物のサイクル
多くの微生物代謝は H 2 を生成または消費します。
生産
水素は多くの微生物中の水素分解酵素と窒素分解酵素によって生成され、その一部はバイオ燃料生産の可能性について研究されている。[8] [9]これらの水素代謝酵素は生命の3つのドメインすべてに存在し、既知のゲノムのうち微生物分類群の30％以上に水素分解酵素遺伝子が含まれている。[10] 発酵は嫌気性微生物食物連鎖の一部として有機物から水素を生成する[11] が光依存または光非依存経路を介して行われる。[8]
消費
生物学的土壌吸収は大気中のH2の主な吸収源である。[12]好気性および嫌気性 微生物代謝はともに、呼吸中に他の化合物を還元するためにH2を酸化して消費する。好気性H2酸化はKnallgas反応として知られている。[13]
嫌気性H 2酸化は、発酵中に生成されたH 2 が他の生物に移送され、そのH 2 を使用してCO 2 をCH 4または酢酸、SOに還元する種間水素移動中によく発生します。2−4
...種間の水素移動により、H 2 Sへ、またはFe 3+からFe 2+へ。H 2の部分圧が増加すると発酵が熱力学的に不利になるため、ほとんどの環境では種間の水素移動によりH 2濃度が非常に低く保たれます。[11]
地球の気候との関連性
H 2 は温室効果ガスであるメタンの大気からの除去を妨げる可能性があります。通常、大気中のCH 4はヒドロキシラジカル（• OH）によって酸化されますが、H 2 は• OHと反応してH 2 Oに還元することもできます。[14]
- CH 4 + • OH → • CH 3 + H 2 O
- H 2 + • OH → H • + H 2 O
宇宙生物学への影響
熱水H2は生命誕生以前の化学反応で重要な役割を果たした可能性がある。[15]蛇紋岩化によるH2の生成は、鉄硫黄世界生命起源仮説で提唱されている反応物の形成を裏付けた。[16]その後の水素栄養メタン生成の進化は、地球上で最も初期の代謝の一つであると仮定されている。[17] [2]
蛇紋岩化はコンドライト組成を持つどの惑星でも起こり得る。エンケラドゥスのような他の海洋惑星でH2が発見されたことから[18] [19] [20] 、同様のプロセスが太陽系の他の場所でも進行しており、他の惑星系でも起こり得る可能性が示唆されている[13] 。
参照
参考文献
- ^ Cameron AG (1973). 「太陽系における元素の存在量」.宇宙科学レビュー. 15 (1): 121. Bibcode :1973SSRv...15..121C. doi :10.1007/BF00172440. ISSN 0038-6308. S2CID 120201972.
- ^ ab Colman DR、Poudel S、Stamps BW、Boyd ES、Spear JR (2017 年7月) 。「深部高温生物圏：25年間の回顧」。米国科学アカデミー紀要。114 (27): 6895–6903。Bibcode :2017PNAS..114.6895C。doi : 10.1073 /pnas.1701266114。PMC 5502609。PMID 28674200。
- ^ Russell MJ、 Hall AJ、Martin W (2010 年 12 月)。「生命の起源におけるエネルギー源としての蛇紋岩化」。Geobiology。8 ( 5 ) : 355–71。Bibcode : 2010Gbio ....8..355R。doi : 10.1111/j.1472-4669.2010.00249.x。PMID 20572872 。
- ^ ab Konn C, Charlou JL, Holm NG, Mousis O (2015年5月). 「大西洋中央海嶺の超塩基性岩石をホストとする熱水噴出孔におけるメタン、水素、有機化合物の生成」.アストロバイオロジー. 15 (5): 381–99. Bibcode :2015AsBio..15..381K. doi :10.1089/ast.2014.1198. PMC 4442600. PMID 25984920 .
- ^ Petersen JM、Zielinski FU、Pape T、Seifert R、Moraru C、Amann R、他 (2011 年 8 月)。「水素は熱水噴出孔共生生物のエネルギー源である」。Nature . 476 ( 7359 ) : 176–80。Bibcode : 2011Natur.476..176P。doi : 10.1038/nature10325。PMID 21833083。S2CID 25578。
- ^ Kim JD、Yee N、Nanda V 、 Falkowski PG (2013 年 6 月)。「シデライトの無酸素光化学酸化により分子状水素と酸化鉄が生成される」。 米国科学アカデミー紀要。110 ( 25): 10073–7。Bibcode :2013PNAS..11010073K。doi : 10.1073/ pnas.1308958110。PMC 3690895。PMID 23733945。
- ^ Catling DC、Zahnle KJ、McKay C (2001 年 8 月)。「生物起源メタン、水素の逃避、そして初期地球の不可逆な酸化」。Science 293 ( 5531 ) : 839–43。Bibcode : 2001Sci ...293..839C。doi :10.1126/science.1061976。PMID 11486082。S2CID 37386726 。
- ^ ab Khetkorn W, Rastogi RP, Incharoensakdi A, Lindblad P, Madamwar D, Pandey A, Larroche C (2017 年 11 月). 「微細藻類による水素生産 - レビュー」.バイオリソース テクノロジー. 243 : 1194–1206. Bibcode :2017BiTec.243.1194K. doi :10.1016/j.biortech.2017.07.085. PMID 28774676.
- ^ Das D (2001). 「生物学的プロセスによる水素生成：文献調査」。国際水素エネルギージャーナル。26 ( 1): 13–28。Bibcode :2001IJHE...26...13D。doi : 10.1016/S0360-3199( 00 )00058-6。
- ^ Peters JW、Schut GJ、Boyd ES、Mulder DW、Shepard EM、Broderick JB、King PW、Adams MW (2015 年 6 月)。「[FeFe] および [NiFe] ヒドロゲナーゼの多様性、メカニズム、および成熟」( PDF)。Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research。1853 ( 6 ): 1350–69。doi : 10.1016/ j.bbamcr.2014.11.021。PMID 25461840。
- ^ ab Kirchman DL (2011-02-02).微生物生態学のプロセス. Oxford University Press. doi :10.1093/acprof:oso/9780199586936.001.0001. ISBN 9780199586936。
- ^ Rhee TS 、 Brenninkmeijer CA、Röckmann T (2006-05-19)。「地球大気の水素循環における土壌の圧倒的な役割」。大気化学および物理学。6 ( 6): 1611–1625。Bibcode : 2006ACP .....6.1611R。doi : 10.5194/acp-6-1611-2006。
- ^ ab シーガー S、シュレンク M、ベインズ W (2012 年 1 月)。 「地球ベースの代謝バイオシグネチャーガスの天体物理学的見解」。宇宙生物学。12 (1): 61-82。Bibcode :2012AsBio..12...61S。土井：10.1089/ast.2010.0489。hdl : 1721.1/73073。PMID 22269061。
- ^ Novelli PC、Lang PM、 Masarie KA、Hurst DF、Myers R、Elkins JW (1999-12-01)。「対流圏の分子状水素：地球規模の分布と予算」。Journal of Geophysical Research：大気。104 (D23): 30427–30444。Bibcode ： 1999JGR ...10430427N。doi ： 10.1029 / 1999jd900788。
- ^ コリン＝ガルシア M (2016). 「熱水噴出孔とプレバイオティクスの化学：総説」。ボレティン・デ・ラ・ソシエダ・ゲオロジカ・メキシカーナ。68 (3): 599–620。土井：10.18268/BSGM2016v68n3a13。
- ^ Wächtershäuser G.「鉄硫黄の世界における生命の起源」。生命の分子的起源。ケンブリッジ大学出版局。206～218 ページ。ISBN 9780511626180。
- ^ Boyd ES、 Schut GJ、Adams MW 、 Peters JW (2014-09-01)。「水素代謝と生物呼吸の進化」。Microbe Magazine。9 ( 9): 361–367。doi :10.1128/microbe.9.361.1。
- ^ Seewald JS (2017年4月). 「エンケラドゥスにおける分子状水素の検出」. Science . 356 (6334): 132–133. Bibcode :2017Sci...356..132S. doi :10.1126/science.aan0444. PMID 28408557. S2CID 206658660.
- ^ Hsu HW, Postberg F, Sekine Y, Shibuya T, Kempf S, Horányi M, et al. (2015年3月). 「エンケラドゥス内で進行中の熱水活動」. Nature . 519 (7542): 207–10. Bibcode :2015Natur.519..207H. doi :10.1038/nature14262. PMID 25762281. S2CID 4466621.
- ^ グレイン CR、バロス JA、ウェイト Jr JH (2015)。 「エンケラドゥスの海のpH」。Geochimica et Cosmochimica Acta。162 : 202–219. arXiv : 1502.01946。Bibcode :2015GeCoA.162..202G。土井：10.1016/j.gca.2015.04.017。S2CID 119262254。