火星に生命は存在するのか？未定。しかし、科学者たちは火星の岩石の中に古代の有機物を発見した。

科学者たちは、バイキング計画中に赤い惑星の土壌を積極的に調査して以来、何十年もの間、火星の有機物を探してきました。それ以来、探査機、望遠鏡、着陸機はすべて、大気中のメタン濃度の急上昇、古代の岩石中の有機物の兆候など、追跡すべき痕跡を嗅ぎつけ、地球に多く存在する有機分子に似たものが隣の惑星にも存在するかどうかという疑問を根気強く追求してきました。

本日、サイエンス誌に掲載された2つの研究は、35億年前の岩石中に有機物質が検出されたこと、火星の大気中にメタンの季節的変化が起きていることなど、刺激的な新発見を示しています。

まず、どちらの発見も、火星に最近または古代の生命が発見されたことを意味するものではありません。これは大胆な主張であり、確認するにはさらに多くのデータと裏付けが必要です。しかし、この発見は、火星にかつて生命が存在したかどうかという疑問を研究している研究者に、いつかその答えを解明できるかもしれないという希望を与えています。

どちらの研究も、火星サンプル分析装置スイート（SAM と呼んでもよい）を使用しました。NASA ジェット推進研究所の科学者で、メタンに関する論文の主執筆者であるクリス・ウェブスター氏は、この装置を「間違いなく、地球外に送られた化学実験室の中で最も高度なもの」と評しています。この装置はガスと岩石の両方のサンプルを処理できるため、研究者は火星の過去と現在の存在についてさらに詳しく調べることができます。以下は、研究者が発見した内容です。

有機物

「有機とは、単に炭素ベースという意味です」と、どちらの研究にも関わっていないライス大学の惑星地質学者、キルステン・シーバッハ氏は言う。「炭素そのものだけでは、その起源が何なのかはわかりません。隕石によって運ばれた無機源である可能性もあれば、火星の火山から来ている可能性もあります。しかし、炭素は生命が形成され、生命が成長するための重要な成分なのです。」

研究者らはSAM装置を使用して、35億年前の湖底から採取した岩石の掘削片を加熱した。

「この粉末をオーブンに入れて加熱します」と、論文の著者であるドーン・サムナー氏は、誰かがパンを焼いているキッチンに入るのと同じようなものだと説明している。「誰かがオーブンにクッキーを入れたとします。私はチョコチップクッキーの匂いがわかります。それはチキンやタマーレの匂いとは違います。同様に、オーブンから出る有機化合物の匂いを嗅げば、オーブンの中に何が入っているのかがもっとわかるのです。」

もちろん、火星の岩石の成分を特定するのは、チョコチップクッキーよりも少し難しい。これらの化合物から発せられる匂いを特定するのは、特に、簡単に特定できる単一の化合物として認識されないため、はるかに難しい。

「化学結合でくっついた断片がたくさんある巨大分子があると想像してください。そのサンプルを加熱すると、巨大分子から断片が分離し、ガスがパイプラインを通って機器に流れ込みます」と、NASAジェット推進研究所の科学者で有機物に関する論文の主執筆者であるジェニファー・アイゲンブロード氏は説明する。「機器が見ているのは、サンプル内のもっと大きなものの断片なのです。」

アイゲンブローデ氏らは、その大きな有機分子が何なのかまだ完全にはわかっていない。彼らはまた、それがどのようにして30億年以上もの間、これほど良好な状態で保存されてきたのかを解明しようとしている。

有機分子は、水、放射線、極度の熱や圧力に遭遇すると分解し、長期間にわたっては生き残れない傾向がある。しかし、火星は大量の放射線を浴びているものの、地球のようにびしょ濡れになることはない。また、活発に活動する地球とは異なり、岩石がプレートテクトニクスによって絶えずかき混ぜられ、リサイクルされることもない。そのため、この有機物は、それが何であれ、生き残る可能性が高くなる。

アイゲンブローデ氏と彼女のチームは、自分たちが見ているものが本当に有機物であるかどうかを確認するために苦労した。

「1年くらい前に、本当に何かいいことをやっているという予感が初めてありました。そしてその時は、『データが私たちの考え通りのものを示しているなら、確かめたほうがいい』ということになったのです」とアイゲンブローデ氏は言う。彼女は何度もテストを繰り返し、結果が再現可能であることを確認した。

「3回もやりました」と彼女は笑います。「これは非常に大きな発見で、多くの異なるサンプルを調べたため、大量のデータ処理が必要でした。ようやくそれがわかった瞬間は、畏敬の念を抱きました。私たちは1976年からこの有機物を探していたのです。」

繰り返しますが、これは 35 億年前の微生物の化石であるという意味ではありません。古代の微生物が食べたものかもしれませんし、微生物がまったく存在しなかった可能性もあります。これらの分子は、火山活動や隕石の衝突など、大気や地質学的なプロセスによってのみ形成された可能性があります。

しかし、たとえそれが生命の証拠ではないとしても、キュリオシティチームが有機物を明確に特定したという事実は依然として重要です。

「生命が存在したとしても、それを見つけるのは通常非常に難しいが、今ではそれが保存されるのに適した条件があったことがわかっている。その特定の証拠を求めて、新たな活力で前を向くことができる」とシーバッハ氏は言う。

メタン

アイゲンブローデ氏とそのチームがキュリオシティの履帯の下の岩石に気を配っている間、別のチームはSUVサイズの探査車の周囲の空気、より具体的には探査車内の1つのガスに関する厄介な問題に取り組んでいた。

「メタンは最も単純な有機分子であり、地球上では主に地表の生命から発生する生物起源のガスだと考えられています」とNASAゴダード宇宙飛行センターの研究科学者で論文の著者でもあるメリッサ・トレーナー氏は言う。「火星では変動するメタンが検出されていますが、10年以上も私たちの理解を逃れてきました。複数のミッションを通して、メタンの出現と消失、そしてその挙動は私たちには理解できないものでした。」

火星のメタンに関する初期の観測は、ハワイの地上望遠鏡でその噴出量を測定して行われた。その後、マーズ・エクスプレスと呼ばれる探査機が長期間にわたって測定を行い、火星のメタン存在量の推定値を徐々に積み上げていった。しかし、キュリオシティがスカイクレーンで火星に降りてきて初めて、ウェブスター氏らの研究者は火星のメタンを初めてその場で測定することができた。

「我々は火星の複数の年にわたってそれを観測することができた。これは前例のないことだ」とトレーナーは言う。彼らは大気中のメタンは季節によって大きく変化し、北半球では夏の終わりにピークに達し、その後減少することを発見した。大気中のメタンの季節的な範囲は0.24から0.65ppbである。

キュリオシティは火星の赤道付近にあるゲイルクレーターに位置している。しかし、この探査車は火星の季節の変化を観察するのに絶好のロケーションにある。「季節の移り変わりという点では、私たちはハワイに少し似ています」とウェブスター氏は言う。「私たちの地域には強い季節の影響はありませんが、地域でも気温の変化はかなり大きく、夏から冬にかけては 30 度ほども変わります。つまり、地表温度と気温の変化は大きいのです」

さらに、火星の大気は容易に混ざり合い、惑星の一部での変化が他の地域に影響を及ぼします。SAM 機器は、メタンの監視に加えて、窒素、アルゴン、二酸化炭素など、よく理解されている他のガスの存在も監視しました。窒素とアルゴンは火星では季節によっても変化する傾向があり、各極が冬を迎えると押し流されます。その時点で、大気中の二酸化炭素は凍結し、極地の氷冠に落ちます。「大気中の質量の最大 3 分の 1 が凍結します。それが地球で起こったら、私たちは本当に気づくでしょう」とトレーナーは言います。「そうなると、大気中の残りのガスは CO ₂とともに押し流されます。」

_CO2が凍結して昇華するにつれて、アルゴンと窒素の濃度は増加しましたが、メタンはそれとはまったく異なる現象を起こしていました。メタンは大気中に少量しか存在しなかったにもかかわらず、その増加と減少の度合いは二酸化炭素に関連して観測された変化とは一致しませんでした。

機器が地球の 5 年間にわたって検出したメタンの量は、隕石によって運ばれたメタンのみで構成されているとすると大きすぎる。隕石は、地球上のガスの潜在的な発生源の 1 つである。研究者らはまた、メタンの測定値が探査機自体の活動によるものである可能性も排除した。また、大気中のメタン量の季節的変化は、地球の基準に比べれば小さいものの、研究者らがそれを見たときには驚くほど大きかった。

研究チームは、メタンが地球のどこかの地下の貯留層から亀裂や通気孔を通じて漏れ出ている可能性があると考えている。この貯留層がどこにあるのか、どのような形をしているのかは不明だ。地球上では、大量のメタンがクラスレート（メタンなどのガスを閉じ込める氷の檻）の中に閉じ込められている。火星にも同様の堆積物が存在する可能性がある。しかし、火星でクラスレートを観察した人は誰もいないため、可能性の域を出ていない。

忍耐と好奇心

どちらの研究も一般の人々にとってはニュースだが、研究者たちは何年も前からデータの収集を始めていた。アイゲンブローデ氏は、この待ち時間を「鎖でつないだ期待」と表現しており、ウェブスター氏も同様の経験をしていた。

「我々の驚きは5年にわたって引き延ばされなければなりませんでした。夏に点が上がるのを観察し、その後、点が再び上がるかどうかを確認するために、文字通り地球の2年を火星の夏まで待たなければなりませんでした。そして、点が再び上がることはありました。多くの忍耐が必要でした」とウェブスター氏は言う。

両グループとも、キュリオシティを使用して分析を継続する予定ですが、他の結果にも期待しています。

「火星で、このような能力を備えた一台の車が表面を走り、そのような保存された有機物を発見できたことは本当に興奮しています」とシーバッハ氏は言う。「これは、もし古代生命が存在したならば、その証拠を発見できる可能性がはるかに高いことを示しています。」

機械的な問題で探査機の掘削能力が阻害されたため、キュリオシティは岩石サンプルの分析に関してはしばらく不調に陥っていた。今年初め、NASA はなんとかドリルをオンラインに戻すことに成功し、シーバッハ氏のような研究者たちは、この論文で研究された岩石よりも 100 万年若いと推定されるゲイルクレーター内の他の場所から追加のサンプルを収集し、分析することを楽しみにしている。

次の探査車ミッションである「マーズ 2020」でも岩石サンプルを採取する。ただし、その場ですべてのサンプルを分析するのではなく、地球の科学者に送る目的で標本も収集する。ロボットは、地球のより高度な研究室への最終的な旅の間、サンプルを安全に保管するための特殊なカプセルにいくつかのサンプルを詰める。「サンプルで発見したものと同じようなものを地球に持ち帰ることができれば、それほど加熱することなく、より詳細に分析することができ、それらの有機分子がどのようなものであったかについての証拠を見つけられると期待しています」とシーバッハ氏は言う。

ウェブスター氏は、探査車が大量のメタンの煙に遭遇した場合に何が起こるかに興味を持っている。その煙には、チームがガス中の炭素同位体比を調べるのに十分な物質が含まれている可能性がある。これにより、そのガスが生物起源である可能性があるかどうかがわかるかもしれない。

彼はまた、現在火星の周回軌道上にある欧州宇宙機関の微量ガス探査機の成果を見るのを楽しみにしている。「彼らは地球全体のメタンの地図を作成できるようになるでしょう。これは大きな前進となるでしょう」とウェブスターは言う。「特に、火星の特定の地域、つまり特定の地形、崖面、峡谷、特定の鉱物表面に関連する傾向のあるメタンの噴煙や斑点が見られれば、それは次の非常に重要なステップとなるでしょう。再現可能な地元の発生源を探すことは、将来のミッションの方向性を決めるのに役立つでしょう。なぜなら、私たちはその場所に行って徹底的に測定するからです。」