火星に生命は存在したのか？パーセベランスのSHERLOCレーザーが微視的な手がかりを探す

NASA の火星探査車パーサヴィアランスの車体には 12 台以上のカメラ (そして初めてマイクも) がびっしりと搭載されているが、この火星探査機の主力は、エンジニアたちが「タレット」と愛称で呼ぶセンサーの塊である。パーサヴィアランスは、7 フィートの頑丈なロボット アームを使って、約 100 ポンドの計測ハブを伸縮させて回転させ、注目の岩からわずか数インチのところに鋭い目を置くことができる。そこで、人間が知覚するには小さすぎる、直径数十マイクロメートルのざらざらした特徴を検知できる。

NASAジェット推進研究所（JPL）のSHERLOC主任研究員ルーサー・ビーグル氏によると、砲塔の主な科学機器であるPIXLとSHERLOCは、岩石分析において陰と陽のように連携して機能し、別個でありながら補完的な方法でデータを収集する。これらのセンサーは連携して、NASAが数十年にわたるブレインストーミングの末に決定した最も普遍的な「バイオシグネチャー」、つまり生命の兆候を探すことになる。

「もしジェゼロクレーター（パーセベランスが着陸した場所）に潜在的な生物痕跡があれば、私たちはそれを見つけるでしょう」とビーグル氏は言う。「私たちはそれを地球に持ち帰ります。」

最高レベルでは、PIXL と SHERLOC は似たような方法で動作します。人間の髪の毛ほどの細いエネルギー光線を石の表面で往復させ、戻ってきた光を使って石の画像のようなものを生成します。PIXL が X 線を利用して鉄やニッケルなどの単純な原子元素を見るのに対し、SHERLOC は紫外線レーザーを使用して、鉱物や有機分子など、石のより複雑な構成要素をマッピングします。

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SHERLOC のレーザーは、岩石の破片と 2 つの方法で相互作用します。蛍光と呼ばれる現象では、紫外線にさらされると、一部の分子が特定の光周波数を吸収し、異なる周波数の光を放射します。この 2 つの違いから、研究者は観察している分子の種類がわかります。

この装置は、ラマン分光法と呼ばれる方法を使って、酸素原子にくっついた炭素原子などの特定の化学結合も認識できる。分子の中には、他の分子よりも振動したり伸びたりするものもある。SHERLOC が紫外線レーザーを岩石に照射すると、数個の光粒子 (10 億分の 1 程度) が震える分子にぶつかり、エネルギーをいくらか失って SHERLOC に跳ね返る。失われたエネルギーの具体的な量に応じて、研究者はさまざまな分子を区別できる。

2 つの技術を組み合わせることで、SHERLOC は特定の有機分子、つまり炭素を多く含む分子を探し出すことができる。これらの化合物は地質学的および化学的プロセスによって生成されるが、タンパク質、DNA、細胞全般の構築にも不可欠である。「基本的に、生命は小さな炭素の袋です」とビーグル氏は言う。

SHERLOC のラマン機能 (火星の機器としては初) は、特に興味深い岩石の背景を解明するのに役立つ鉱物や化学結合も検出できます。たとえば、水素を含む一連の鉱物は、それらの分子が水 (H2O) の存在下で形成されたことを示唆し、そのサンプルには過去の生命の痕跡が含まれている可能性が高くなります。一方、灼熱の火山で形成された岩石には水素がはるかに少なく含まれています。

SHERLOC の現在のバージョンの設計と構築は 2012 年に始まったが、ビーグル氏はこの装置の起源を、初期の宇宙生物学の分野を揺るがした 1996 年の発見までさかのぼると考えている。南極で発見された火星隕石を詳しく調べていた研究者たちは、化石化した微生物らしきものを発見した。後に、その奇妙な形状に対する非生物学的な説明が生まれたが、当初は生命と無生命を区別するのが難しかったことが警鐘となった。

「コミュニティが『私たちはこれを本当にどうすればよいのか分からない』と言ったのは初めてでした」とビーグル氏は言う。

JPL は内部的に、他の惑星での生命の発見という同組織が「壮大な挑戦」と呼ぶものを実現できる機器の提案を求めた。コンペで優勝した設計の 1 つが SHERLOC だった。

JPLの宇宙生物学者は、重要なのは、陸上の種に共通する特定の形状や化学反応ではなく、既知のすべての生物に共通する1つの一般的な特徴、つまり集まる傾向に焦点を当てることだと結論付けた。

深海の噴出孔、火山、隕石の衝突、宇宙線、風、浸食など、惑星を形成する非生物的力は、物質を分解して拡散させます。しかし、生命は複数のレベルで資源を集中させます。たとえば、炭素を多く含むアミノ酸の密度は、体外よりも体内のほうが高くなります。また、ニューヨーク市には南極よりも多くの人間が住んでいます。研究者は地球上のあらゆる場所を見て、資源の周りに群がる生物を見つけ、資源を分散させようとする力と戦っています。

「生命は、食べて生き残れる場所に集まりたがります」とビーグル氏は言う。「そして、火星でもそれが起こると私たちは考えています。」

火星の古代生物がどのような姿をしていたのか、また、もし存在していたとしたら、どのような行動をしていたのかは誰にも分からない。しかし、JPLの研究者たちは、鉱物、有機分子、元素の、他の方法では説明が難しいパターンが、さらなる研究のための有望なサンプルになるのではないかと考えている。

パーセベランスが生命の兆候を発見した場合、それを解釈するには機器と研究者のチームワークが必要になるだろう。

Mastcam-Z はパノラマの眺望を撮影し、研究者が方向感覚をつかむのに役立つため、干上がった小川の石、長い間活動していない火山の噴火口、あるいは乾燥した河川デルタのどれを見ているのかを判断できる。

次に、タレットは SHERLOC と PIXL を導入し、岩石の元素、鉱物、有機分子の拡大地図を作成します。タレットの 2 つの機器は、30 ～ 40 マイクロメートルほどの小さな特徴を識別できます。これは、生物学的に組み立てられた分子の塊を認識するには十分な解像度ですが、1 マイクロメートルほどの小さな実際の微生物体の化石を見るには不十分です。

たとえそうだったとしても、研究者たちは、希少な化石を探すために、パーセベランスに何日もかけて岩石をマイクロメートル単位でスキャンさせようとは思わないだろう。「それは干し草の山でいっぱいの惑星で、干し草の山の中の針を探すようなものです」とビーグル氏は言う。

そのレベルの分析は2030年代初頭に行われる予定だ。パーセベランスがSHERLOCやその他の機器で特に有望と判断された岩石に遭遇した場合、探査機は将来のミッションで回収できるようにサンプルをチューブに保管することができる。地球に戻れば、強力な顕微鏡を持つ鋭い観察力を持つ研究者たちが、火星に生命が存在したかどうかについてより決定的な答えを出すことができるだろう。

ビーグル氏にとって、これらの研究は、どんな発見があろうとも待つだけの価値がある。「これは素晴らしい問いです。宇宙における我々の位置づけを理解するのに役立つでしょう」と同氏は言う。「生命はどこにでも存在するのでしょうか、それとも生命は本当に稀なのでしょうか？」