タイタンの生命

土星最大の衛星であるタイタンに生命が存在するかどうかは、現在のところ未解決の問題であり、科学的評価と研究の対象となっている。タイタンは地球よりもはるかに寒いが、太陽系のすべての場所の中で、地球以外で表面に川、湖、海の形で液体があることが知られている唯一の場所である。その厚い大気は化学的に活性で、炭素化合物が豊富である。表面には液体のメタンとエタンの大小の塊があり、氷の殻の下には液体の水の層がある可能性が高い。一部の科学者は、これらの液体混合物が地球上のものとは異なる生体細胞に前生命的化学物質を提供しているのではないかと推測している。

2010年6月、カッシーニ・ホイヘンス計画のデータを分析した科学者らは、地表付近の大気に異常が見られたと報告した。これはメタン生成生物の存在と一致する可能性もあるが、非生物的な化学反応や気象現象による可能性もある。^[1]カッシーニ・ホイヘンス計画には、微生物を直接探査したり、複雑な有機化合物の完全なリストを作成したりするための装備はなかった。

タイタンが生命誕生前の化学や潜在的に異国的な生命を研究する環境として考慮されるのは、主に、外層での光化学反応によって生じるタイタンの大気中の有機化学反応の多様性によるものです。カッシーニの質量分析計によって、タイタンの上層大気で次の化学物質が検出されました。

質量分析は化合物の原子質量は特定できるが構造は特定できないため、検出された化合物を正確に特定するには追加の研究が必要である。文献で化合物が特定されている場合、その化学式は上記の名前に置き換えられている。Magee (2009) の数値には高圧バックグラウンドの補正が含まれている。データと関連モデルによって示されると考えられる他の化合物には、アンモニア、ポリイン、アミン、エチレンイミン、水素化重水素、アレン、1,3-ブタジエン、および低濃度のより複雑な化学物質、ならびに二酸化炭素と少量の水蒸気がある。^{[2] [3] [4]}

太陽から遠いため、タイタンは地球よりもずっと寒い。表面温度は約 94 K (-179 °C、または -290 °F) である。この温度では、水の氷は (存在する場合) 溶けたり、蒸発したり、昇華したりせず、固体のままである。極寒であることと、大気中の二酸化炭素(CO _{2 ) が不足していることから、}ジョナサン・ルニーンなどの科学者は、タイタンを地球外生命の生息地としてではなく、地球に生命が出現する前の条件に関する仮説を検証するための実験と見なしている。^[5]タイタンの通常の表面温度は液体の水とは相容れないが、ルニーンらの計算によると、隕石の衝突によって時折「衝突オアシス」、つまり液体の水が数百年以上も存続する可能性のあるクレーターが形成され、水ベースの有機化学が可能になる可能性がある。^{[6] [7] [8]}

しかし、ルニーネは液体メタンとエタンの環境での生命を否定しておらず、そのような生命体（たとえ非常に原始的なものであっても）の発見が宇宙における生命の蔓延について何を意味するかについて書いている。^[9]

1970年代、天文学者はタイタンから予想外に高いレベルの赤外線放射を発見した。 ^{[10]これに対する1つの説明として、}温室効果により表面が予想よりも暖かかったというものがある。表面温度の推定値の中には、地球の寒冷地域の温度に近いものもあった。しかし、赤外線放射については別の説明も可能だった。タイタンの表面は非常に寒かったが、上層大気はエタン、エチレン、アセチレンなどの分子による紫外線の吸収により加熱されたというものである。^[10]

1979年9月、土星とその衛星をフライバイ観測した最初の宇宙探査機パイオニア11号は、タイタンの表面が地球の基準からすると非常に寒く、惑星の居住可能な温度と一般的に関連付けられる温度よりもはるかに低いことを示すデータを送信しました。^[11]

タイタンは将来さらに暖かくなるかもしれない。^[12]今から50億年から60億年後、太陽が赤色巨星になると、表面温度は200 K（-70 °C）まで上昇する可能性があり、これは表面に水とアンモニアの混合物の安定した海が存在するのに十分な高さである。太陽の紫外線出力が減少するにつれて、タイタンの上層大気のもやが枯渇し、表面の反温室効果が減少し、大気中のメタンによって作り出される温室効果がはるかに大きな役割を果たすようになる。これらの条件が組み合わさって、外来種の生命にとって快適な環境が作り出され、数億年にわたって持続する可能性がある。 [ ^12]これは地球上で単純な生命が進化するのに十分な時間であったが、タイタンにアンモニアが存在すると、同じ化学反応がよりゆっくりと進行する可能性がある。^[12]

タイタンの表面に液体の水が存在しないことは、2009年にNASAの宇宙生物学者アンドリュー・ポホリルによって、そこに生命が存在するという主張に反する論拠として挙げられた。ポホリルは、水は「我々が知る唯一の生命」が使用する溶媒としてだけでなく、その化学的性質が「有機物の自己組織化を促進するのに特に適している」ため、重要であると考えている。彼は、タイタンの表面に生命が見つかる見込みが、それを探すミッションの費用を正当化するのに十分であるかどうか疑問視している。^[13]

実験室でのシミュレーションにより、地球上で生命が始まったと考えられているものと類似した化学進化を始めるのに十分な有機物がタイタンに存在するという示唆が導かれた。この類似性は、現在観測可能な期間よりも長い期間液体の水が存在することを前提としているが、衝突による液体の水が凍結した隔離層の下に保存される可能性があることを示唆する仮説もいくつかある。 ^[14]また、アンモニアの海が地表の深部に存在する可能性も提案されている。^{[15] [16]}あるモデルでは、水氷の地殻の下 200 km の深さにアンモニア水溶液が存在すると示唆されており、この条件は「地球の基準では極端だが、生命が実際に生存できる」ものである。^[17] 内部層と上層の間の熱伝達は、海面下のあらゆる海洋生物の維持に不可欠である。 ^[15] タイタンでの微生物生命の検出は、その生物起源の影響に依存する。たとえば、大気中のメタンと窒素は、生物起源かどうか調べることができる。^[17]

2012年にNASAのカッシーニ宇宙船から得られたデータが発表され、タイタンの氷殻の下に液体の水の層が存在する可能性が高いという証拠が強化された。^[18]

タイタンは、太陽系で唯一、微量ガス以上からなる完全に発達した大気を持つ天然衛星（月）として知られている。タイタンの大気は厚く、化学的に活性で、有機化合物に富んでいることで知られており、このことから、生命の化学的前駆物質がここで生成されたのではないかという憶測が広がっている。^{[19] [20] [21]}大気には水素ガスも含まれており、これは大気と表面環境を循環しており、地球のメタン生成菌に匹敵する生物が、一部の有機化合物（アセチレンなど）と結合してエネルギーを得ている可能性がある。^{[19] [20] [21]}

ミラー・ユーリーの実験とその後のいくつかの実験は、タイタンに似た大気と紫外線を加えると、複雑な分子やソリンのような高分子物質が生成される可能性があることを示した。反応は窒素とメタンの解離から始まり、シアン化水素とアセチレンが形成される。その後の反応は広範囲に研究されてきた。^[22]

2010年10月、アリゾナ大学のサラ・ホルストは、タイタンの大気のようなガスの組み合わせにエネルギーを加えたときに生成された多くの化合物の中に、DNAとRNAの構成要素である5つのヌクレオチド塩基を発見したと報告した。ホルストは、タンパク質の構成要素であるアミノ酸も発見した。彼女によると、液体の水が存在しない実験でヌクレオチド塩基とアミノ酸が発見されたのは初めてだという。^[23]

2013年4月、NASAはタイタンの大気をシミュレートした研究に基づき、タイタンで複雑な有機化学物質が発生する可能性があると報告した。 ^[24] 2013年6月、タイタンの上層大気で多環芳香族炭化水素（PAH）が検出されました。^[25]

マーティン・ラーム率いる研究チームは2016年に、ポリイミンがタイタンの環境下で容易に構成要素として機能する可能性があることを示唆した。^[26] タイタンの大気は大量のシアン化水素を生成し、これは容易に重合してタイタンの表面環境で光エネルギーを捕捉できる形態になる。今のところ、タイタンのシアン化物がどうなるのかは不明である。シアン化物は生成される上層大気中では豊富であるが、表面では減少しており、何らかの反応で消費されていることが示唆されている。^[27]

2017年7月、カッシーニの科学者たちは、タイタンの上層大気中に炭素鎖陰イオンが存在することを明らかにしました。これは、大きな複雑な有機物の生成に関与していると思われます。^[28] これらの反応性の高い分子は、以前から星間物質中の複雑な有機物の構築に寄与することが知られており、複雑な有機物質を生成するための普遍的な足がかりとなる可能性があることを浮き彫りにしています。^[29]

2017年7月、科学者らは、細胞膜や小胞構造の形成に関係し、生命にとって不可欠な可能性がある化学物質であるアクリロニトリル（C ₂ H ₃ CN）がタイタンで発見されたと報告した。^[30]

2018年10月、研究者らは、単純な有機化合物から複雑な多環芳香族炭化水素（PAH）化学物質への低温化学経路を報告した。このような化学経路は、タイタンの低温大気中にPAHが存在することを説明するのに役立つ可能性があり、PAH世界仮説の観点から、私たちが知っている生命に関連する生化学物質の前駆物質を生成する重要な経路である可能性がある。^{[31] [32]}

地球上のすべての生物（メタン生成菌を含む）は液体の水を溶媒として利用しているが、タイタンの生命はメタンやエタンなどの液体炭化水素を代わりに利用している可能性がある。^[33]水は炭化水素よりも強い溶媒である。^[34]しかし、水は化学的に反応性が高く、加水分解によって大きな有機分子を分解することができる。^[33]炭化水素を溶媒とする生命体は、このようにして生体分子が破壊される危険に直面することはないだろう。^[33]

タイタンの表面には、川や​​海だけでなく、液体エタンや液体メタンからなる湖もあるようで、いくつかの科学的モデルでは、仮想的に非水系生命が存在する可能性があることが示唆されている。^{[19] [20] [21]} 地球上の生物が水中で生息するのと同じように、タイタンの表面の川や湖を形成する液体メタンやエタンの中にも生命が存在する可能性があると推測されている。^{[35]そのような仮想生物は、} _O2の代わりに_H2を取り込み、グルコースの代わりにアセチレンと反応させて、二酸化炭素の代わりにメタンを生成する。^[35]比較すると、地球上の一部のメタン生成菌は、水素と二酸化炭素を反応させてメタンと水を生成することでエネルギーを得ている。

2005年、宇宙生物学者の クリストファー・マッケイとヘザー・スミスは、メタン生成生命が十分な量の大気中の水素を消費している場合、タイタンの対流圏の混合比に測定可能な影響を与えると予測した。予測された影響には、アセチレンのレベルが予想よりもはるかに低くなり、水素自体の濃度も低下することが含まれていた。^[35]

これらの予測と一致する証拠は、2010年6月にジョンズホプキンス大学のダレル・ストロベルによって報告されました。彼は上層大気と下層大気の水素濃度の測定値を分析しました。ストロベルは、上層大気の水素濃度が地表付近よりもはるかに高いため、拡散の物理的性質により水素は1秒あたり約10 ²⁵分子の速度で下方に流れることを発見しました。地表近くでは、下方に流れる水素は明らかに消えています。^{[34] [35] [36]}同月に発表された別の論文では、タイタンの表面のアセチレン濃度が非常に低いことが示されました。 ^[34]

クリス・マッケイは、2005年の論文で示唆されているように、生命の存在が水素とアセチレンに関する発見の可能性のある説明であるというストロベルの意見に同意したが、同時に、他の説明の方が現時点では可能性が高いと警告した。つまり、結果が人為的ミス、気象プロセス、または水素とアセチレンを化学反応させる鉱物触媒の存在による可能性である。 ^{[1] [37]}彼は、-178℃（95K）で有効なそのような触媒は現在知られておらず、それ自体が驚くべき発見であるが、地球外生命体の発見ほど驚くべきことではないと指摘した。^[1]

2010年6月の発見は、英国の新聞『テレグラフ』が「原始的なエイリアン」の存在の手がかりについて報じるなど、メディアの大きな関心を集めた。^[38]

2015年2月、液体メタン中で機能する仮説上の細胞膜がモデル化されました。 ^[39]これらの膜の化学ベースとして提案されているのは、タイタンで検出されたアクリロニトリルです。 ^[40]これは 「アゾトソーム」（窒素体）と呼ばれ、ギリシャ語で窒素を意味する「アゾト」とギリシャ語で体を意味する「ソーマ」から形成され、地球上のリン脂質に含まれるリンと酸素を欠いていますが、窒素を含んでいます。化学構造と外部環境は非常に異なりますが、シートの自動形成、柔軟性、安定性、その他の特性など、その特性は驚くほど似ています。コンピューターシミュレーションによると、アゾトソームはタイタンの気象条件下では形成されませんでした。^[41]

2017年に完了したカッシーニのデータの分析により、タイタンの大気中にかなりの量のアクリロニトリルが存在することが確認された。^{[42] [30]}

さまざまな惑星や衛星で生命が見つかる可能性を評価するために、ディルク・シュルツェ・マクフと他の科学者たちは、表面と大気の特性、エネルギー、溶媒、有機化合物の利用可能性などの要素を考慮した惑星居住可能性指数を開発した。^[43] 2011年後半に入手可能なデータに基づくこの指数を使用したモデルは、タイタンが地球以外の既知の世界の中で現在最も高い居住可能性評価を持っていることを示唆している。^[43]

カッシーニ・ホイヘンス計画では、生物の痕跡や複雑な有機物の証拠を提供する装備はなかったが、タイタンの環境は、ある意味では原始地球の理論上のものと類似していることが示された。 ^[44]科学者たちは、原始地球の大気は、タイタンには水蒸気がなかったという重要な例外を除けば、現在のタイタンの大気と組成が似ていたと考えている。^[45]化学進化から生物進化への橋渡しを試みる多くの仮説が立てられてきた。

タイタンは、米国国立研究会議の科学者委員会が作成した生命の限界条件に関する2007年の報告書の中で、化学反応性と生命の関係のテストケースとして提示されている。ジョン・バロスが委員長を務めるこの委員会は、「生命が化学反応性の本質的性質であるならば、生命はタイタンに存在するはずである。実際、タイタンに生命が存在しないとすれば、生命は炭素含有分子が安定している条件下でのその反応性の本質的性質ではないと主張しなければならないだろう...」と考えた。^[46]

2005年にタイタンの仮想生物がエネルギー源として水素とアセチレンを使用するかもしれないと提唱した科学者の一人であるデイビッド・グリンスポン^{[47]は、タイタンの生命についての議論の中で}ガイア仮説に言及した。彼は、地球の環境と生物が共に進化してきたのと同じように、生命が存在する他の惑星でも同じようなことが起こっている可能性が高いと示唆している。グリンスポンの見解では、「地質学的および気象学的に生きている世界は、生物学的にも生きている可能性が高い」^{[48] 。}

タイタンに生命が存在するという仮説については、別の説明が提案されている。もしタイタンで生命が発見されたとしたら、それはパンスペルミアと呼ばれるプロセスで地球から発生した可能性があるというものである。地球の表面に衝突した大型の小惑星や彗星によって、微生物を含んだ何億もの岩石の破片が地球の重力から逃れたと理論づけられている。計算によると、これらの破片の多くは、タイタンを含む太陽系の多くの天体と衝突するだろう。^{[49] [50]}一方、ジョナサン・ルニーンは、タイタンの極低温炭化水素湖に生息する生物は、地球の生命とは化学的に大きく異なるため、一方が他方の祖先であるということはあり得ないと主張している。^[9]ルニーンの見解では、タイタンの湖に生物が存在するということは、太陽系内で2番目の独立した生命の起源を意味し、宇宙の至る所で生命が居住可能な世界に出現する可能性が高いことを示唆している。^[9]

アリゾナ大学の天文学者クリス・インピーによると、提案されているタイタン・マレ・エクスプローラー・ミッションは、湖に着水するディスカバリー級の着陸機で、「生命を発見する可能性がある」とのことである。^[51]

計画されているドラゴンフライ 回転翼機ミッションは、固い地面に着陸し、何度も移動することを目的としています。^[52] ドラゴンフライはニューフロンティア計画のミッション#4になります。その機器は、生命誕生前の化学反応がどの程度進んでいるかを調べます。^[53] ドラゴンフライは、タイタンの表面の化学組成を調査し、水素濃度などの可能性のある生物学的特徴を探すために下層大気をサンプリングするための機器を搭載します。^[53]

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