[論文レビュー] On The Biomass Required To Produce Phosphine Detected In The Cloud Decks Of Venus

Manasvi Lingam, Abraham Loeb|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2020

Light effects on plants参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、金星の大気に検出されたリン酸水素ガスが生物学的プロセスに起因する可能性を調査し、必要なバイオマスおよびバイオマス密度を推定している。熱力学的およびフラックス制約を用いて、必要なバイオマスが地球の空気中バイオスフィアのオーダーと比較しておそらく数個のオーダー低いことが判明し、極端な環境条件下でも生物学的起源が妥当であると考えられる。

ABSTRACT

The detection of phosphine in the atmosphere of Venus at an abundance of $\sim 20$ ppb suggests that this gas is being generated by either indeterminate abiotic pathways or biological processes. We consider the latter possibility, and explore whether the amount of biomass required to produce the observed flux of phosphine may be reasonable. We estimate that the typical biomass densities predicted by our simple model are potentially orders of magnitude lower than the biomass density of Earth's aerial biosphere in the lower atmosphere. We briefly discuss how small spacecraft could sample the Venusian cloud decks and search for biomarkers.

研究の動機と目的

• 観測されたリン酸水素濃度に基づき、金星の雲層における生物学的リン酸水素生成の可能性を評価すること。
• 熱力学的制約のもとで代謝的リン酸水素生成に必要なバイオマスおよびバイオマス密度を推定すること。
• 金星の大気中における小規模な宇宙船を用いたバイオマーカーの現地検出の可能性を評価すること。
• 予想されるバイオマス密度を地球の空気中バイオスフィアの密度と比較し、妥当性を検証すること。

提案手法

• バイオマスは、ギブズ自由エネルギー、代謝フラックス、細胞当たりのパワーおよび質量に基づくヒューリスティックモデルを用いて推定される。
• モデルは式 $ \mathcal{M}_{\mathrm{bio}} \lesssim \frac{M_{\mathrm{cell}} |\Delta G_{r}| \Phi_{r} \mathcal{A}}{P_{\mathrm{cell}}} $ を適用する。ここで $ \Phi_{r} \sim 10^{-13} $ mol m⁻² s⁻¹ は推定されたリン酸水素生成フラックスである。
• 仮定には、乾燥を避けるために雲の水滴に埋め込まれた微生物、および酸化還元反応に依存する代謝経路に焦点を当てる。
• 小規模な宇宙船による質量収集をモデル化することでミッションの可能性を評価し、現地でのサンプリングに $ M_b \approx \chi \rho_{\mathrm{bio}} A_p v_p \Delta t $ を用いる。
• 検出可能なバイオマーカー質量を推定するために、基準となる断面積 $ A_p \sim 0.01 $ m² および速度 $ v_p \sim 0.1 $ km s⁻¹ を使用する。
• 分子の高速度での破壊および機器の感度とサンプリング効率の制約を分析に含める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金星の大気中で観測された20 ppbのリン酸水素濃度を生成するのに、どの程度のバイオマス密度が必要か？
• RQ2 推定されたバイオマス密度は、地球の空気中バイオスフィアの既知の限界と整合的か？
• RQ3 小規模な宇宙船を用いたバイオマーカーの現地検出における物理的および工学的制約は何か？
• RQ4 低バイオマス密度の状況下でも、小規模な宇宙船は十分な生物学的物質を収集してバイオマーカー分析が可能か？

主な発見

• リン酸水素生成に必要なバイオマス密度は、地球の空気中バイオスフィアと比較して、おそらく数個のオーダー低いと推定される。
• モデルは、熱力学的に妥当なバイオマス密度が、検出されたリン酸水素の生物学的起源と整合的であることを示唆している。
• 断面積 $ A_p \sim 0.01 $ m² および速度 $ v_p \sim 0.1 $ km s⁻¹ の小規模な宇宙船は、1%の生存率と $ \rho_{\mathrm{bio}} \sim 10^{-4} $ mg m⁻³ を仮定すると、1時間で約3.6 μgの生物学的物質を収集できる。
• 速度が約28 km s⁻¹を超えると、分子の破壊がバイオマーカー検出を損なう可能性があり、最適なプローブ速度に制限をもたらす。
• 低バイオマス密度であっても、機器が感度が高く、サンプリングが最適化されていれば、現地ミッションでバイオマーカーを検出可能である。
• 分析は、低予想微生物濃度であっても、小規模で機動性の高いプローブを用いた将来的な生命探査ミッションの実現可能性を支持している。