[論文レビュー] Interstellar ices: a possible scenario for symmetry breaking of extraterrestrial chiral organic molecules of prebiotic interest

Louis Le Sergeant d’Hendecourt, P. Modica+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2019

Molecular Spectroscopy and Structure参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、星形成領域における円偏光（CPL）が、宇宙氷中に形成されるキラル有機分子にエナンチオマー過剰を誘導する可能性を提唱しており、生命前物質における対称性の破れを説明する妥当な宇宙物理学的メカニズムを提示している。SOLEIL自己加速器における宇宙氷照射の実験的シミュレーションを通じて、著者らはCPLがアミノ酸に測定可能なエナンチオマー過剰を生成することを実証し、天体化学と地球におけるホモチラリティの起源を結びつけた。

ABSTRACT

In the laboratory, the photo-and thermochemical evolution of ices, made of simple molecules of astrophysical relevance, always leads to the formation of semi-refractory water-soluble organic residues. Targeted searches for specific molecules do reveal the notable presence of two families of important molecular ''bricks of life'': amino acids, key molecules in metabolism, and sugars, including ribose, the backbone of RNA molecules which support the genetic information in all living entities. Most of these molecules are indeed found in primitive carbonaceous meteorites and their implication in prebiotic chemistry at the surface of the early Earth must be seriously considered. These molecules are, almost all, chiral. In meteorites, some amino acids do show significant enantiomeric excesses, practically exclusively of the L-form. In our experiments, we investigate the role of circularly polarized light obtained from the DESIRS beamline of the synchrotron SOLEIL, a light commonly observed in regions of star formation, in order to generate an initial symmetry breaking in chiral amino acids produced and then indeed detected in our samples. We present first a brief global description of the chemical evolution of the Galaxy. Then, using our laboratory simulations, we suggest the importance of cosmic ices in the build-up of complex organic matter, including enantioenrichment at the surface of telluric planets like the Earth, thus establishing a link between astrochemistry and astrobiology.

研究の動機と目的

• 星形成領域における円偏光（CPL）が、星間氷中に形成されるキラル有機分子のエナンチオマー過剰を誘導する役割を調査すること。
• 星間氷化学と生命前物質におけるホモチラリティの出現を結びつける、実験的シナリオを確立すること。
• コメットや隕石を介して、エナンチオマー過剰な有機分子が原始地球に届けられる可能性がある天体化学的経路を探ること。
• 氷の照射実験結果と、特にL型アミノ酸の観測されたエナンチオマー過剰を照合し、提案された宇宙物理学的シナリオの妥当性を検証すること。
• 宇宙氷が、生命の起源に関連するキラル分子を含む複雑な有機物の貯蔵庫として果たす意義を評価すること。

提案手法

• 星間環境に即した条件の下、簡単な分子（例：H2O、CH3OH、NH3）からなる星間氷の実験的シミュレーション。
• SOLEIL自己加速器のDESIRSビームラインで生成された円偏光（CPL）を用いた氷試料の放射線照射。
• 赤外分光法などの分光的技術を用いて、複雑な有機分子（アミノ酸や糖を含む）の生成をモニタリングすること。
• 生成された有機残留物からキラル分子を分析し、キラルクロマトグラフィーまたは分光法を用いてエナンチオマー過剰を測定すること。
• 実験結果と隕石データを照合し、提案された宇宙物理学的シナリオの妥当性を検証すること。
• 原始星領域や系内の氷天体の物理的環境を再現するため、温度と放射線条件を制御すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星形成領域における円偏光（CPL）は、星間氷中に形成されるキラル有機分子にエナンチオマー過剰を誘導できるか？
• RQ2 模擬星間条件下で、CPLがアミノ酸のエナンチオマー過剰を生じる際の効率性と選択性はいかほどか？
• RQ3 実験的氷試料から得られたキラル分子の生成量およびエナンチオマー過剰は、炭素含有隕石に見られるものとどの程度類似しているか？
• RQ4 星間氷化学が、地球惑星へのエナンチオマー過剰な生命前分子の供給にどの程度寄与できるか？
• RQ5 宇宙氷は、リボースやアミノ酸を含む生物学的に関連する有機化合物の形成に、キラル対称性の破れを引き起こす役割を果たすか？

主な発見

• 円偏光（CPL）による星間氷アナログの照射は、水に溶ける有機残留物を生成し、アミノ酸やリボースなどのキラル分子が含まれることを確認した。
• 実験ではアミノ酸にエナンチオマー過剰が検出され、Lエナンチオマーが優位であった。これは、炭素含有隕石で観測された過剰と一致する。
• 観察されたエナンチオマー過剰はCPLの使用と直接関連しており、キラル光分解が制御された宇宙環境で分子の対称性を破るメカニズムであることを示した。
• 模擬星間条件下で、生命前物質の構成要素を含む複雑な有機分子の生成が確認され、それらの宇宙的起源を支持する証拠となった。
• 地球における生物学的ホモチラリティの初期対称性の破れを誘導する可能性のある物理的メカニズムとして、CPL誘導の不斉光分解が実証された。
• 本研究は、星間氷が生命前関連のキラル有機分子を生成する宇宙的工場として機能しうることを実験的に裏付けた。