[論文レビュー] Ammonia and Phosphine in the Clouds of Venus as Potentially Biological Anomalies

Carol E. Cleland, Paul B. Rimmer|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Planetary Science and Exploration被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、金星の大気中のアンモニアおよびホスフィンの一時的な検出が、生物的過程とも非生物的過程とも分類できない化学的非平衡状態である可能性のある生物学的異常を示していると提唱している。これらの検出を、明確なバイオシグネチャとしてではなく、持続的で解明されていない異常として再定義することで、著者たちは、金星の大気の平衡状態に関する固定観念を疑い直す開放的で科学的な探求を提唱し、地球中心主義のモデルを超えて、未知の宇宙生命の探求を拡大する。

ABSTRACT

We are of the opinion that several anomalies in the atmosphere of Venus provide evidence of yet-unknown processes and systems that are out of equilibrium. The investigation of these anomalies on Venus should be open to a wide range of explanations, including unknown biological activity. We provide an overview of two anomalies, the tentative detection of ammonia and phosphine in Venus’s atmosphere. These anomalies fly in the face of the tacit assumption that the atmosphere of Venus must be in chemical redox equilibrium, an assumption connected to the belief that Venus is lifeless. We then discuss several major past discoveries in astronomy, biology and geology, which lead to the abandonment of certain assumptions held by many scientists as though they were well-established principles. The anomalies of ammonia and phosphine in the atmosphere of Venus are placed in the context of these historical discoveries. This context supports our opinion that persistence by the community in the exploration of these anomalies with a skeptical eye towards tacit assumptions will increase the chances of making profound discoveries about the atmosphere of Venus and the diverse and often strange nature of planetary environments. To be submitted to Aerospace Special Issue “The Search for Signs of Life on Venus: Science Objectives and Mission Designs”.

研究の動機と目的

• 金星の大気が化学的酸化還元平衡にあるという暗黙の仮定に反し、これが長年にわたり研究者たちが異常な大気現象に気づけない原因であったことを挑戦すること。
• 金星の大気中のアンモニアおよびホスフィンの検出を、明確なバイオシグネチャとしてではなく、『生物的である可能性のある異常』として再定義すること。これは、非生物的または生物的プロセスのどちらとも分類できない。
• 地球中心主義の生命基準に縛られない、ベイズ的で懐疑的なバイオシグネチャ検出のアプローチを提唱すること。これは、事前に定義された基準よりも、未解決の異常を優先することを意味する。
• 歴史的な例（例：火星のメタン、系外惑星の大気中の酸素）を援用し、異常な現象が重大な科学的発見へとつながった事例を提示することで、金星大気の複雑な化学反応の深層的探求を促すこと。
• 生命の固定された定義ではなく、持続的で説明不能な化学的非平衡状態を基軸に、宇宙生命の探求を再定式化するよう科学界に促すこと。

提案手法

• 標準的な酸化還元状態値を用いて、金星の大気における酸化還元非平衡を分析する。具体的には、H2を−1、H2Oを+0、O2を+2、COを−1、H2Sを−3、NH3を+1.5、PH3を−3と定義する。
• 30–45 kmの高度における金星の雲層でのアンモニア（NH3）およびホスフィン（PH3）の検出を、H2SO4のような強力な酸化剤と併存するという点で異常と評価する。
• ベイズ的枠組みを用いて、生命の可能性と非生物的プロセスの可能性を評価し、持続的で解釈不能な異常を一時的なバイオシグネチャとして扱う。
• 火星のメタンや系外惑星の大気中の酸素といった、初期には非生物的説明が不可能だった歴史的科学的異常と類似性を示す。これらは、パラダイムシフトを引き起こした。
• 『生物的である可能性のある異常』という概念を用いることで、過剰な分類を避け、未知の生物学的プロセスや未知の非生物的化学反応の探求を可能にする。
• 生命の探求を、固定された定義ではなく、従来の説明では説明できない持続的で未解決の化学的非平衡状態に再定義する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ金星の大気中のアンモニアおよびホスフィンの検出が、仮定された大気の酸化還元平衡の文脈で異常とされるのか？
• RQ2 これらの異常は、長年にわたり金星の大気が化学的に不活性で平衡状態にあるとされたという仮定に、どのように挑戦するのか？
• RQ3 これらの異常は、天文学、生物学、地球物理学の分野で、重大な発見へとつながった歴史的科学的異常と、どのような点で類似しているのか？
• RQ4 酸化還元非平衡がバイオシグネチャとしての可能性を持つ場合、それが生命の明確な基準がない状況でどのように評価されるべきか？
• RQ5 バイオシグネチャ検出において、ベイズ的で懐疑的なアプローチを採用することで、極端な惑星環境における宇宙生命の探求がどのように改善されるのか？

主な発見

• 30–45 kmの高度で一時的に検出されたアンモニア（NH3）は、酸化還元状態値+1.5であり、強力な酸化剤であるH2SO4と併存しているため、顕著な酸化還元非平衡を示している。
• ホスフィン（PH3）の検出も同様に異常であり、酸化還元状態値−3のPH3が、上層雲部の酸化的環境と矛盾している。
• これらの異常は、非生物的または生物的プロセスのどちらとも分類できず、既存の仮定に挑戦する『生物的である可能性のある異常』の顕著な候補である。
• これらの異常があいまいな非生物的説明に耐え続けるという事実から、まだ理解されていない新しい化学的または生物学的プロセスを示唆している可能性がある。
• もし金星の大気における酸化還元非平衡が、最終的に非生物的プロセスによって説明された場合、酸化還元非平衡が信頼できるバイオシグネチャであるという仮説は反証されることになる。
• 著者たちは、これらの異常を、明確な生命の兆候としてではなく、未解決の科学的パズルとして扱うことで、未知の惑星化学または生物学の発見の可能性を最大限に高められると結論づける。