[論文レビュー] Can DNA bases be produced during molecular cloud collapse?

Sonali Chakrabarti, Sandip K. Chakrabarti|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2000

Origins and Evolution of Life被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、421種の物質を含む大規模な化学ネットワークを通じて、分子雲の崩壊中にアデニンのようなDNA塩基が形成されるかを調査している。流体力学的および化学的進化モデルを用いて、1 AUでアデニンの質量分率が約6×10⁻¹¹に達することが判明し、生命の起源に寄与する可能性がある前生物的分子が、惑星形成期に地球を汚染した可能性を示唆している。

ABSTRACT

Using a reasonably large chemical reaction network consisting of 421 species, we show that along with normal chemical evolution of molecular cloud during collapse and star formation, significant amount of adenine, a DNA base, may be produced after an evolution of 10^{6-7} years. This findings may shed light on whether life on earth had to begin from scratch or these molecules could have contaminated the earth from the beginning.

研究の動機と目的

• 分子雲の崩壊における化学的進化の過程で、アデニンのようなDNA塩基が形成可能かどうかを調査すること。
• 惑星形成の前段階で前生物的分子が地球に届けられた可能性があり、生命が出現するまでの時間を短縮した可能性を評価すること。
• 宇宙物理学的に妥当な条件下で、分子雲の崩壊が複雑な有機分子を生成する役割を果たすかを評価すること。
• 低密度で等温な領域で長時間スケールにわたってアデニンの生成が可能かどうかを特定すること。
• 星間化学が、惑星形成の前段階で生命関連分子を惑星系に供給する可能性を調査すること。

提案手法

• 流体力学的シミュレーションにより、初期パラメータとして半径3×10¹⁸ cm、温度10 K、角速度10⁻¹⁶ rad s⁻¹を有する分子雲の崩壊をモデル化した。
• 421種の物質を含む反応ネットワークを用いて化学的進化を追跡し、UMISTデータベースに新たな反応を追加してアデニン、アミノ酸（グリシン、アラニン）、ウレア、ヒドロキシ酸の反応を含めた。
• 新規反応の速度定数は、標準的な形式 k = α(T/300)^β exp(−γ/T) を用いて推定した。二体反応では α = 10⁻¹⁰、β = γ = 0 とした。
• 初期の元素組成は MFW97 に基づき、H:He:C:N:O:Na:Mg:Si:P:S:Cl:Fe の質量分率を設定した。
• 密度、温度、速度プロファイルは、Shu et al. (1987) および Hartmann (1998) のモデルを用いて計算し、r_tr より外側では断熱的崩壊、r_c では遠心力障壁を考慮した。
• 化学的進化は r = 3×10¹⁸ cm から 10¹² cm までシミュレートし、時間発展は半径および降着率に従って追跡した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アデニンは、分子雲の崩壊過程における化学的進化の段階で合成可能か？
• RQ2 分子雲の崩壊環境下で、アデニンの生成はどの程度の時間スケールと半径分布を示すか？
• RQ3 10⁶年間にわたって低密度で等温な領域でアデニンの生成が顕著に認められるか？
• RQ4 崩壊過程における物理的条件（密度、温度、速度）が前生物的分子の生成に与える影響は何か？
• RQ5 分子雲にアデニンが存在していた場合、それが地球の前生物的インベントリに寄与した可能性はあるか？

主な発見

• 1 AU におけるアデニンの質量分率は X_adenine ≈ 6×10⁻¹¹ に達し、地球質量に換算すると約2.4×10¹⁷ g のアデニンに相当する。これは前生物的汚染の可能性を示唆している。
• 静的で低密度な雲（ρ = 1.6×10⁻¹⁹ g cm⁻³、T = 10 K）においても、10⁶年間の間にアデニンが顕著に生成され、その濃度は約5×10⁻¹²に達する。
• アデニン、ウレア、グリシンといった複雑な分子は、雲の内側に向かって質量分率が増加し、特に還元的条件（C/O > 1）が成立する1 AU近辺で顕著に増加する。
• アデニンの生成は、逐次的な HCN の付加反応経路を経て進行する：HCN → CH(NH)CN → NH₂CH(CN)₂ → NH₂(CN)C=C(CN)NH₂ → H₅C₅N₅（アデニン）。
• 軽元素（H、N、C、O）の枯渇は初期に発生するが、中程度の密度と長時間スケールの領域では複雑な分子が効率的に生成される。
• これらの結果は、アデニンのような前生物的分子が星間環境で自然に生成され、形成中の惑星系に届けられる可能性があることを示唆している。