[論文レビュー] Transition metal abundance as a key parameter for the search of Life in the Universe

G. Covone, Donato Giovannelli|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2022

Photosynthetic Processes and Mechanisms被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、地球外生命の可能性を評価する際、遷移金属の豊度が、これまで無視されてきた重要な要因であると主張している。生命が代謝的エネルギーを獲得するメカニズムは、酸化還元酵素に触媒作用を果たす遷移金属によって駆動される反応に依存しており、Fe、Zn、Ni、Cuなどの元素の豊度が、宇宙探査の対象選定における主要基準となるべきである。これは、CHNOPS、水、非平衡状態のみを基準とする従来の定義を根本的に拡張するものである。

ABSTRACT

The search for Life in the Universe generally assumes three basic life's needs: I) building block elements (i.e., CHNOPS), II) a solvent to life's reactions (generally, liquid water) and III) a thermodynamic disequilibrium. It is assumed that similar requirements might be universal in the Cosmos. On our planet, life is able to harvest energy from a wide array of thermodynamic disequilibria, generally in the form of redox disequilibrium. The amount of different redox couples used by living systems has been estimated to be in the range of several thousands of reactions. Each of these energy yielding reactions requires specialised proteins called oxidoreductases, that have one or more metal cofactors acting as catalytic centres to exchange electrons. These metals are de facto the key component of the engines that life uses to tap into the thermodynamic disequilibria needed to fuel metabolism. The availability of these transition metals is not uniform in the Universe, and it is a function of the distribution (in time and space) of complex dynamics. Despite this, Life's need for specific metals to access thermodynamic disequilibria has been so far completely overlooked in identifying astrobiological targets. We argue that the availability of at least some transition elements appears to be an essential feature of habitability, and should be considered a primary requisite in selecting exoplanetary targets in the search for life.

研究の動機と目的

• 生命が生存可能であるために不可欠な要件として、遷移金属の豊度を組み込むことによって、生命の可能性に関する基準を再評価すること。
• 酸化還元代謝を可能にする特定の遷移金属の役割を無視していた点に起因する、宇宙生物学分野における見過ごしを是正すること。
• 生物学的に関連する遷移金属の豊度に基づいて、Exoplanetの優先順位を決定するための枠組みを確立すること。
• 星間の金属量に関する天文学的データと、金属酵素にかかる生化学的制約を統合し、生命的に適した領域（ハビタブルゾーン）の定義を精緻化すること。
• 熱力学的非平衡状態が存在しても、それを利用するための触媒的金属がなければ、生命は成立しないという主張を展開すること。

提案手法

• 酸化還元酵素に不可欠な遷移金属（例：Fe、Zn、Ni、Cu）が代謝の酸化還元反応をどのように触媒するかを分析すること。
• 星間および惑星系環境における遷移金属の分布を、恒星および隕石の元素豊度データを用いてマッピングすること。
• 核合成プロセスを通じて、母星の金属量と、生命を支える金属を含む惑星系の可能性との相関関係を特定すること。
• 既知の生命形態における電子伝達系や代謝経路において、特定の遷移金属が果たす生化学的必要性を評価すること。
• 生化学的制約を、銀河および惑星系形成における金属量の進化に関する天文学的モデルと統合すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 惑星系における遷移金属の豊度が、生命の出現および持続可能性にどの程度影響を与えるか。
• RQ2 酸化還元酵素に果たす遷移金属の触媒的役割が、従来のCHNOPS、水、非平衡状態という基準を超えて、Exoplanetの生命可能性にどのような制限を加えるか。
• RQ3 酸化還元代謝を可能にするために最も重要な特定の遷移金属は何か。その豊度は、Exoplanetの優先順位付けにどのように利用できるか。
• RQ4 遷移金属の天文学的分布と、惑星系における複雑生命の出現との間に相関があるか。
• RQ5 母星の金属量は、Exoplanet環境における生物学的に関連する遷移金属の存在を予測するための有効な代理指標となるか。

主な発見

• Fe、Zn、Ni、Cuなどの遷移金属は、代謝を駆動する数千もの酸化還元反応を触媒する酸化還元酵素の必須補因子である。
• これらの金属の豊度は宇宙全体で一様ではなく、核合成や惑星形成といった複雑な天文学的プロセスによって制御されている。
• 生命が熱力学的非平衡状態のエネルギーを活用できるようにする上で中心的な役割を果たすにもかかわらず、遷移金属の豊度は、宇宙生物学的対象選定において体系的に無視されてきた。
• 本研究では、金属の豊度が、酸化還元非平衡状態からのエネルギー抽出を可能にするために不可欠な条件であると確立しており、生命の可能性を評価する上で主要な前提条件であると位置づけている。
• 著者らは、母星および惑星系の金属量を、生命の可能性を予測する要因として、ハビタブルゾーンモデルに統合すべきだと提唱している。
• 本研究では、遷移金属の豊度を根本的なパラメータとして追加することにより、生命の可能性を評価する基準を再定義し、宇宙生物学的探索の範囲を著しく拡大している。