冥王代の地球の小さな池を温める生命の構成要素の源としての有機物の霞

タイタン(Image Credit:NASA/JPL/Space Science Institute)　40億年前の地球(Image Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center/Francis Reddy)
太陽系が出来たのは４６億年前と言われてますが、38億年前まで全てが現在とは違い、太陽の出力75％、ガス惑星と氷惑星マイグレーション中に伴い小惑星と彗星核が地球に大量に落ちてくる。そんな環境でも生命の構成要素アミノ酸やタンパク質は出来上がりつつあったと思われる。以下、機械翻訳。
冥王代の地球の小さな池を温める生命の構成要素の源としての有機物の霞
要約
40億年以上前、地球は土星の衛星タイタンに似た霞掛かった世界だったと考えられています。
この時点の大気中の有機物の霧には、生命の膨大な量の在庫が含まれている可能性があります。
建築用のブロックであり、したがって、生命のための暖かい小さな池の種を蒔いた可能性があります。 この研究では、CH4 濃度が高い(5%)および低い(0.5%)雰囲気の実験室で有機ヘイズを生成します。
そして、核酸塩基、アミノ酸、その他いくつかの有機物について固体粒子を分析します。
GC/MS/MS を使用して濃度を取得します。 また、加熱（200℃）サンプルの分析も行っています。
居住不可能な場所に存在するこれらの粒子をシミュレートする高メタン有機ヘイズの実験
表面。 最後に、大気中のヘイズ生成の実験結果と推定値を使用します。
これらの環境における有機ヘイズから核酸塩基の濃度を計算するための包括的な数値池モデルの入力として。 有機ヘイズは通常、次のような効果をもたらすことがわかりました。
最大 0.2 ～ 6.5 μM の濃度の核酸塩基を使用して、潜在的に居住可能な小さな池を温めます。
冥王代の条件。 しかし、浸出がなければ、ウラシルとチミンは約 100 μM の濃度に達する可能性があり、これはこれらの種を反応させてヌクレオチドを形成する現在の実験下限です。
サンプルを加熱すると、生体分子の部分的または完全な崩壊が起こり、生体分子が
高温の地表に備蓄する可能性は低いです。 生命の建物を引き渡すための理想的な条件
冥王代の大気中にメタンが豊富に含まれている場合、有機ヘイズによるブロックが発生する可能性がありますが、そうではありません。
あまりにも豊かなので、住めない地表ができてしまいます。
キーワード: 初期地球 — 生命の起源 — 有機ヘイズ — 核酸塩基 — アミノ酸 — 宇宙生物学
導入
現在のタイタン、冥王代初期の地球に似ている
（約45～43億年前）は、
水素とメタンが豊富な大気のために霞んだ世界 (Pavlov et al. 2001; Trainer et al. 2004, 2006;デウィットら。 2009年; アーニーら。 2016年; ホルストら。
2018a）。 このような条件で生成される有機ヘイズには、構成要素となる核酸塩基などの生体分子が含まれています。
リボ核酸 (RNA) およびアミノ酸
タンパク質を構成する（Kawai et al. 2019; Sebree et al. 2018;ホルストら。 2012年; ネイシュら。 2010）。 これらは可能でしょうか？
有機的な霧が初期の地球に生命の種を蒔いたのでしょうか？
プレバイオティクス化学に役立つであろう有機ヘイズ粒子は、
池などの小さな水域。 池は有利です
定期的な蒸発再水和サイクルが生命の起源に必要な条件を提供するため、生命の起源の場所となります。
生体分子を濃縮し、RNAを重合させる（Damer
&ディーマー2020; ダ・シルバら。 2015）。 その他の情報源
生体分子の池への影響については、次のような研究が行われています。
隕石、惑星間塵、シアン化水素
池内の (HCN) 化学 (Pearce et al. 2017,2022b)。 隕石は最高濃度の物質を提供します。
池への RNA ビルディングブロック、約 10 μM。 しかし、
この有限の供給源は数週間で枯渇します (Pearce et al. 2017)。
対照的に、HCN は対流圏から絶えず降り注いでいますが、提供されるのはサブ μM 濃度のみです。
大気中のシナリオにおける RNA 構成要素
メタンは熱水系から供給されます（ピアース他。 2022b)。 このような濃度は、これらの種を反応させてヌクレオシド（リボース + 核酸塩基）またはヌクレオチド（リボース +核酸塩基 + リン酸) (Ponnamperuma et al. 1963)。
水素が大気の大半を占めていると考えられている
冥王代の初期段階の種 (約 60 ～ 90%)
衝突体から放出された鉄が地表水と反応するときに急速に生成されるためです（Fe + H2O −−→ FeO +H2) (Pearce et al. 2022b; Zahnle et al. 2020)。 メタン
熱により0.1～10%の量が生成される
大きさ 400 ～ 500 km の衝突体によって生成される - と同様
小惑星ベスタ (Zahnle et al. 2020)。 分子状窒素と二酸化炭素も存在していたであろう
火山のガス放出によるもの (Trail et al. 2011)。
水素とメタンが豊富な大気は存在しますが、
有機ヘイズの生成に有利、これらが多すぎると
初期大気中の種は池の生態系を阻害するだろう。
表面に形成されます。 これは、メタンと
H2-H2 (1 bar を超える大気圧で生成) は強力な温室効果ガスです。では不明です
初期の地球大気の CH4 のどの気圧が居住不可能になるか。 ただし、一部の
還元に関する未精製の放射伝達気候モデル
冥王代の大気は、次のような表面温度を生み出します。
メタン存在量が約 5% の場合、約 110 ～ 350 °C (Cerrillo et al. 2023)。 一方で、こういったモデルは、
初期の地球の大気は約0.5％であることを示唆しています
メタンは、十分に低い温度を維持できる可能性があります。
地表に池が存在する (Cerrillo et al. 2023)。 したがって、
私たちは実験でこれら 2 つの濃度を調べます
そしてそれらを、潜在的に居住不可能な条件と潜在的に居住可能な条件として定義します。

冥王代の地球。 冥王代の居住可能性に対するメタン存在量のカットオフをより正確に特定するには、包括的な気候モデルが必要ですが、これはこの研究の範囲外です。
条件が暑すぎて池が存在できない場合は、有機
曇った粒子は乾燥した表面に沈着し、大気圏に達するまで生体分子を貯蔵する可能性がある
池ができるほど冷えます。 ただし、固体ヘイズ粒子に生体分子が存在するかどうかは不明です。
高温の表面条件にも耐えることができます。 さらに、
ヘイズの生体分子含有量がどのように変化するかはわかりません
大気中のメタンの豊富さのスケール。 実験によれば、冥王代条件におけるHCN生成は大気中のメタンに直線的に依存している
(Pearce et al. 2022a)、HCN が鍵となる
核酸塩基を含む多くの生体分子の前駆体
およびアミノ酸 (Or´o 1961; Miller 1957)。 したがって、
有機物での生体分子の生産も期待できるかもしれません
ヘイズは大気中のメタンの存在量に比例して増加します。


図 1. 高メタン有機ヘイズ粒子の抽出サンプルのブランクを差し引いた GC/MS/MS クロマトグラム
低メタン有機ヘイズ粒子、および 1 日間および 7 日間加熱した高メタン有機ヘイズ粒子。


図 2. この研究で 4 つの有機ヘイズ粒子サンプルで測定された核酸塩基の存在量。 核酸塩基の順序は
最低モル質量から最高モル質量まで。 単位は生体分子のμgです
/ g ヘイズ粒子、または ppm。

表 1. 4 つの冥王代地球実験で測定された核酸塩基、アミノ酸、およびその他の有機物の質量分率。 不確かさは、GC ピーク面積の不確実性と検量線の不確かさの組み合わせです (説明については付録を参照)。
場合によっては、検出限界を超え、検出限界を下回る測定値については、上限のみが提供されます。
定量化 (詳細については表 A3 を参照)。 単位は、μg 生体分子 / g ヘイズ粒子、または ppm です。




図 3. この研究で 4 つの有機ヘイズ粒子サンプルで測定されたタンパク質原性アミノ酸の存在量。 アミノ酸
順序は、最小モル質量から最大モル質量までです。 単位は、μg 生体分子 / g ヘイズ粒子、または ppm です。


図 4. 非タンパク質構成アミノ酸とその他の有機アミノ酸
この研究で 4 つの有機ヘイズ粒子サンプルで測定された存在量。 生体分子の順序は最低のものから最高のものまで
モル質量。 単位は µg 生体分子 / g ヘイズ粒子、またはppm。


図 5. A) 44 億年前 (bya) の有機ヘイズ粒子の堆積によるアデニンのモデル池濃度
0.5% メタン大気 (この研究) と隕石の輸送 (Pearce et al. 2017)、惑星間の塵粒子との比較
(IDP) 送達 (Pearce et al. 2017)、および大気由来の HCN からの 2 つの異なる期間における現場生産
冥王星人 (Pearce et al. 2022b)。 濃度は、もともと包括的な発生源と吸収池のモデルを使用して計算されています。
ピアースらによって開発されました。 (2017) は、約 6 か月の湿潤サイクルと約 6 か月の乾燥サイクルを持ちます。 唯一の例外は「隕石 - いいえUV」モデルです。
水分を遮蔽するため、乾燥せず、UVが点灯しない。 B) 池の最大濃度
4.4 bya での有機ヘイズ粒子堆積からの他の 6 つの核酸塩基の分析 (この研究)。 *これらの値は、最高値を使用して計算されます。
メタン (5%) CH4 実験的ヘイズ粒子濃度。低メタンではキサンチンとグアニンが検出されなかった
(0.5%) 有機ヘイズ粒子 (表 1 を参照)。

議論
有機物の核酸塩基とアミノ酸の含有量
大気中のメタン濃度を下げると、ヘイズ粒子はそれぞれ 4.5 倍と 1.2 倍に減少します。
私たちの実験は桁違いに優れています。 これはもしかしたら
高濃度メタン大気の実験では炭素原子が 4 倍多いことを考えると、驚くことではありません。
核酸塩基とアミノ酸は炭素に基づいています
バックボーン。 ただし、ヘイズの発生も少なくなります
収集された固体ヘイズ粒子の総質量が 7 分の 1 に減少するため、模擬大気中のメタンを削減する場合に効率的です。 これらを考慮すると
2 つの側面の間にはほぼ直線性があります。
有機物からの核酸塩基およびその他の生体分子の流入
もや、大気中のメタンの豊富さ。 これは、冥王代には理想的な条件があったことを示唆しています。
というのは、生命の起源はメタン含有量のときであろうからである。
多くの有機ヘイズを生成するのに十分な高さですが、
地表が人が住めなくなるほど高すぎないこと。 有機備蓄は実行可能な選択肢ではないようです
わずか 24 時間で生命の構成要素の起源がわかる
200℃ での加熱、総核酸塩基濃度
有機ヘイズ粒子は 3 分の 1 に減少し、200 ℃ で 7 日間加熱すると、ウラシルのみが残ります。
さらに、有機ヘイズ粒子サンプルを加熱すると、
いくつかの重要なタンパク質構成アミノ酸を完全に破壊します
スレオニン、トリプトファンなど。
生命の構成要素の源としての有機ヘイズは、
生命の起源に関する大きな（400〜500 km）鉄を含むインパクターのシナリオと互換性のある仮説（例：ウォーガンら。 （2023年）。 大きな衝撃がH2を生み出す
そして、熱力学的に大量のメタンを生成するのに必要な熱（>950 K）を提供します。
有機ヘイズからの生体分子の流入に直線的に比例します。 大きな衝突物が存在しない場合、モデルは現在、次のような地上の発生源が存在することを示唆しています。
熱水環境では十分な生産ができない可能性がある
大気中のメタンは0.5%近くのレベルまで増加する
これは、有機ヘイズ粒子を大量に生成するのに理想的です (Guzm´an-Marmolejo et al. 2013、Miyazaki & Korenaga 2022)。 ウォーガンらでは、 (2023)、
HCN およびHCCCN池へのフラックスは生体分子の供給源として計算されます
前駆体; しかし、この研究から、そのような環境でも有機ヘイズが大量に生成されることがわかります。
メタンが豊富な雰囲気であり、RNA を提供するだろう
µM 濃度で池にビルディングブロックを供給します。
私たちが知る限り、冥王代のRNAの起源
地球は適度に高く安定した濃度の
池環境における RNA 構成要素。 正確な
必要な濃度は多少不確実です。 しかし、
妥当な下限は約 100 µM である可能性があります。 これは
実験で反応に使用された最低濃度
核酸塩基をリボースとリン酸で結合させてヌクレオチドを生成します (Ponnamperuma et al. 1963)。 私たちの池のモデルは、有機ヘイズが最大 0.2- まで到達する可能性があることを示唆しています。
池環境に対する核酸塩基の持続濃度は 6.5 µM で、これは池環境よりも 1 ～ 3 桁低いです。
これらの RNA 構成要素を反応させるための実験限界。 隕石による核酸塩基の送達は、
池のピーク濃度は約 10 µM と高くなります。 しかし、
この供給源は有限であり、RNA の化学進化に問題を引き起こします。 一方、有機ヘイズ
池への絶え間ない供給源であり、これにより池の核酸塩基濃度が絶え間なく補充されます。
RNA が継続的に形成される可能性を提供し、
進化。
私たちのモデルの浸透シンクをオフにすることは、次のようになります。
池の底の岩の穴を詰まらせる
両親媒性物質またはミネラルゲル (Damer & Deamer 2020;Deamer 2017)、または鉱物への生体分子の吸着
表面 (Hazen & Sverjensky 2010) では、ウラシルとチミンの両方の最大濃度が約 100 に達します。
μM は約 8,000 年後の実験濃度限界。
他の核酸塩基は 100 に達することが制限されています
このシナリオでは、加水分解速度が比較的高いため、μM。 ただし、このシナリオでは、グアニン、アデニン、キサンチンの最大濃度が増加します。
〜5〜20μMまで。 浸透をオフにしても、ヒポキサンチンやシトシンの濃度には大きな影響はありません。 有機ヘイズ粒子の加水分解により、池内で追加の核酸塩基とアミノ酸が生成される可能性があります。
シミュレーションから濃度をわずかに増加させます
ここにあります（Neish et al. 2010; Poch et al. 2012）。 それにもかかわらず、我々は、暖かい小さな池内での追加の集中メカニズムがさらに濃度を高める可能性があることを示唆しています。
これらの核酸塩基濃度（相互作用など）
膜小胞を含む (Chen & Walde 2010; Himbert他。 2016）。 ただし、集中の程度をよりよく理解するには、さらに多くの実験が必要です
これらの環境が生成できるもの。
有機ヘイズは最も高いものを提供するかもしれませんが、
安定した核酸塩基の起源の池濃度
初期地球上の RNA、導かれた比例式を使用した冥王代ヘイズの生成速度の推定
トレーナーらによる。 (2006) は、モデルの不確実性が大きくなります (4 桁にわたる)。 この不確実性をよりよく理解するために、冥王代ヘイズの生成率を推定するために別のアプローチを採用します。
私たちの実験結果を使用して。 それを考えると、私たちは
当社の低温で72 mgの有機ヘイズ粒子が生成されました。
およそ 1000 cm3 の血漿体積での 6 日間のメタン (0.5%) 実験
(1L)、当社ヘイズ発生率
単位体積あたり約 4.4 kg / 年 m^-3。 の
低温プラズマ放電のエネルギー密度は〜170 Wm^−2 です
は、より約 4 桁大きい
短波 (< 200 nm) の紫外線束が上部に当たります。
ルグハイマーによって計算された 3.9 bya の地球の大気
他。 （2015年）。 しかし、短波紫外線束は4.4 bya の方が、
3.9 bya (Ribas et al. 2005)。 この情報を踏まえて、私たちは、
単位体積あたりのヘイズ生成率が予想される場合があります
大気中では 4.4 bya で、私たちの実験値よりおよそ 3 桁低い -
これは 4.4 g /年 m^3 になります。 つまり1km
冥王代大気のヘイズ生成層は、
4.4 で約 2×10^18 g / 年のヘイズ粒子を生成
bya、これは計算した最大値に近い
Trainer et.al(2006) によって導かれた比例式 (9×10^17g/年) を使用します。 この計算の不確実性はおそらく約 2 桁であることに注意してください。
大きさ、A) 大まかな磁束比較、B)
ヘイズを生成する大気層の体積の不確実性、および C) 私たちのプラズマが存在するという仮定
放電実験では同じ数のヘイズが生成される
短波 UV としてのエネルギーあたりの粒子。 それはともかく、これは
上限に追加の有効性を提供します
当社の核酸塩基池の濃度。

結論
この論文では、固体有機ヘイズ粒子を早期に生成するために大気シミュレーション実験を実行します。
メタン濃度が高い冥王代条件と低い冥王代条件。 有機備蓄の可能性を理解するために、高メタンガスの一部も加熱します。
これらをシミュレートするために、200 °C で 1 日間と 7 日間実験します。
潜在的に高温で居住不可能な地表に存在するヘイズの粒子。 次に、GC/MS/MS を使用して分析します。
生命の構成要素となる 4 つのヘイズ粒子サンプル -
核酸塩基、アミノ酸、その他いくつかの有機物。 最後に、プレバイオティクス源としての有機ヘイズを調査します。
ソース池モデルとシンク池モデルを使用して核酸塩基の濃度をモデル化し、小さな池を暖めるための核酸塩基。
主な結論は次のとおりです。
• 有機ヘイズは最大 0.2 ～ 1.8 の発生源となる可能性があります。
RNA 内の 5 つの核酸塩基の µM 濃度
そして DNA が小さな池を温めます。
• 池の浸出物を除去する。
多層両親媒性マトリックスまたはミネラルゲルによる細孔の詰まりにより、濃度が上昇する可能性があります
ウラシルとチミンを 100 μM 範囲まで -
ヌクレオチドの実験的生産の下限。
• 有機ヘイズ粒子内の生体分子の貯蔵
住めなくなった冥王代の地球の表面で
これは、将来の池に核酸塩基とほとんどのアミノ酸を播種するための実行可能な方法ではありません。 多くのものを加熱する
これらの生体分子を 200 °C に加熱すると、濃度が低下するか、検出できないほど破壊されます。 いくつかの
例外はイソロイシン/ノルロイシン、アラニン、
セリン。
• 大気中のメタンを 5% から 0.5% に削減
ヘイズ粒子中の総核酸塩基とアミノ酸の存在量が 4.5 分の 1 と 1.2 分の 1 に減少します。
それぞれ。 総ヘイズ質量が 1 倍減少します
これは、生体分子の総流入量の間にほぼ直線的な依存関係があることを示唆しています。
霧や大気中のメタンの豊富さから。
• 私たちの結果は、次のような理想的な条件を示唆しています。
生命の起源は冥王代の大気中にメタンが豊富で大量のメタンが生成されているときだろう
有機的なヘイズがあるが、CH4 はそれほど濃縮されていない
地表が住めなくなるということ。 見つける
この大気中のメタン濃度の正確な値を取得するには、高度な気候モデリングが必要です。 ただし、私たちの結果は、0.5% が
考慮するのに妥当な値です。
複数の考えられる可能性があることがわかりました。
小さな池を温める生命の構成要素の源、
有機ヘイズは最も豊富なものの 1 つです。 今後の主な課題は、A) メカニズムを実証することです。
蒸発を超えた池内の濃度、
B) ヌクレオチドの生成を実証し、
このような条件での RNA。 興味深い仮説が 1 つあります
著者らは、脂肪酸膜が
集中に必要な微環境と
これらの生命の構成要素の反応。 私たちはそうするつもりです
今後の研究でこの仮説を探求していきます。