[論文レビュー] Alternative solvents for life: framework for evaluation, current status and future research

William Bains, Janusz J. Petkowski+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2024

Chemical Reactions and Isotopes被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、生命が水以外の溶媒で成立する可能性を評価するための4基準フレームワーク—出現、溶媒化、溶質安定性、溶媒の化学的機能性—を提案する。その結果、岩石惑星環境において生物学的・化学的要件をすべて満たすのは、水や濃硫酸のようなプロトン化性溶媒に限られ、液体CO2は今後の研究に向けた強力な非プロトン化性候補であることが判明した。

ABSTRACT

Life is a complex, dynamic chemical system that requires a dense fluid solvent in which to take place. A common assumption is that the most likely solvent for life is liquid water, and some researchers argue that water is the only plausible solvent. However, a persistent theme in astrobiological research postulates that other liquids might be cosmically common, and could be solvents for the chemistry of life. In this paper we present a new framework for the analysis of candidate solvents for life, and deploy this framework to review substances that have been suggested as solvent candidates. We categorize each solvent candidate through four criteria: occurrence, solvation, solute stability and solvent chemical functionality. Our semi-quantitative approach addresses all the requirements for a solvent not only from the point of view of its chemical properties but also from the standpoint of their biochemical function. Only the protonating solvents fulfil all the chemical requirements to be a solvent for life, and of those only water and concentrated sulfuric acid are also likely to be abundant in a rocky planetary context. Among the non-protonating solvents liquid CO2 stands out as a planetary solvent, and its potential as a solvent for life should be explored. We conclude with a discussion of whether it is possible for a biochemistry to change solvents, as an adaptation to radical changes in a planet's environment. Our analysis provides the basis for prioritizing future experimental work exploring potential complex chemistry on other planets.

研究の動機と目的

• 非水性溶媒が生命の媒体として成立するかどうかを系統的で多基準的な枠組みで評価するためのフレームワークを確立すること。
• 化学的および生物学的要件に基づいて、候補溶媒の現在の状態を評価すること。
• 惑星環境において、複雑でダイナミックな生物化学を支える可能性が最も高い溶媒を特定すること。
• 惑星の進化に伴う溶媒の変化に対する生物化学的適応の可能性を評価すること。
• 宇宙生物学における今後の実験的・観測的研究の優先順位を定めること。

提案手法

• 出現、溶媒化、溶質安定性、溶媒の化学的機能性の4基準に基づく、半定量的評価フレームワークを開発した。
• 宇宙生物学の文献に提案された20種以上の候補溶媒を体系的に分析するために、このフレームワークを適用した。
• 複雑な有機化学とその熱力学的・動力学的適合性を評価した。
• 溶媒をプロトン化性か非プロトン化性かに分類し、惑星上での豊度と安定性を評価した。
• 生物学的原則を用いて、どの溶媒が持続的でダイナミックな化学系を支えることができるかを特定した。
• 惑星環境の変化に伴う溶媒の変化に生物が適応できる可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの非水性溶媒が生命を支えるための基本的化学的・生物学的要件を満たすのか？
• RQ2 水とは比較して、代替溶媒における溶媒化性および溶質の安定性はどの程度か？
• RQ3 液体CO2や硫酸のような候補溶媒の惑星上での豊度と環境的安定性はいかがなものか？
• RQ4 惑星気候の変化に伴う溶媒の変化に対し、生物化学が進化または適応して機能できるのか？
• RQ5 今後の実験的・観測的研究において、どの溶媒が最も有望な候補となるか？

主な発見

• 4基準（出現、溶媒化、溶質安定性、化学的機能性）をすべて満たすのは、唯一プロトン化性溶媒に限られる。
• プロトン化性溶媒の中で、水と濃硫酸の2つだけが、岩石惑星環境において豊富に存在すると考えられる。
• 液体CO2は、惑星上での豊度と良好な溶媒化性のおかげで、最も有望な非プロトン化性溶媒として際立っている。
• フレームワークにより、有効な溶媒候補数を制限する特定の化学的・物理的制約が特定された。
• 分析から、生物化学における溶媒の変化は理論的には可能であるが、顕著な進化的適応を要することが示唆された。
• 本研究は、今後の実験的・観測的研究のための優先順位付き溶媒リストを提供した。