― 生命のもとである有機化合物は初期の地球でどのように作られたのか

東京工業大学地球生命研究所（ELSI）のKristin Johnson-Finn研究員らの研究グループは、生命が誕生する以前の地球に存在していたと考えられるカルボン酸の熱水条件下での新たな有機反応経路を発見しました。これまで、カルボン酸からケトンの形成反応は水中では起こらないと考えられていましたが、研究グループの熱水条件下での実験および熱力学的計算の組み合わせにより、高圧高温かつ金属酸化物の存在下でカルボン酸からケトンが生成されることが示されました。この結果は、生命誕生に必要な有機化合物の合成プロセスを知るための重要な手がかりになると考えられます。

深海に存在する熱水噴出孔は、地球生命が誕生した場所の有力な候補と考えられています。生命が誕生するためには、生物の体を作る様々な種類の有機化合物が必要です。カルボン酸は、カルボキシル基（-COOH）をもつ有機化合物です。隕石や生物の体内など様々な環境に豊富に見られ、生命が誕生する以前の地球にも存在していたと考えられることから、深海の熱水環境下のカルボン酸の化学反応を調べれば、生命のもとである有機化合物の合成経路について、有力な手がかりを得ることができます。

研究グループが注目したのは、これまで有機地球化学の解釈では考慮されてこなかったカルボン酸からケトンを生成する反応です。この反応は工業的にはよく知られたプロセスですが、通常は気体もしくは有機溶媒の中で行われるため、水中ではケトンの生成は起こらないと考えられていました。

ところが、研究グループが、高圧の熱水条件（300℃、1000気圧）環境でカルボン酸を水または4種類の金属酸化物と反応させた結果、金属酸化物があれば水中でもケトンの生成が可能であることがわかりました。

画像１に反応経路の概要を示しました。

水のみで反応を行った場合は、カルボン酸からトルエンとCO₂が生成されました（画像１上）が、金属酸化物の存在下ではジベンジルケトン（ケトンの１種）、CO₂、H₂Oが生成され、その後、ジベンジルケトンが分解されてトルエンが生成されました（画像１下）。このことから、数週間の長い時間スケールでの実験では、中間生成物であるジベンジルケトンを見逃す可能性があることがわかりました。

水のみの場合の脱炭酸に関連するケトン生成反応の熱力学的優位性を検討するため、フェニル酢酸のモデル化合物として酢酸を使用し、様々な温度における平衡定数の値を計算しました（画像２）。

この計算から、200℃を超えるとケトン生成反応が起こりやすくなることが示されましたが、実験では、金属酸化物の存在がない場合はケトンの生成は起こりませんでした。

ケトン生成の要件は金属酸化物の存在です。実験に用いた金属酸化物であるマグネタイト（Fe₃O₄）、ヘマタイト（Fe₂O₃）、コランダム（Al₂O₃）、スピネル（MgAl₂O₄）のうち、スピネル型構造をもつマグネタイトとスピネルは、六方晶系の構造をもつヘマタイトとコランダムよりも多くのジベンジルケトンを生成することが示されました。

さらに結晶構造の特性評価を行いました。スピネル表面でのジベンジルケトン形成に関する３Dモデルを画像３に示しました。スピネルの存在下で反応がより有利に起こる理由について、研究グループは、アルミニウム原子が間にあるおかげで適切な距離が生まれ、そのことがジベンジルケトンを安定させ、水だけでは速度論的に不利な中間段階であるジベンジルケトンの生成を進めるのに役立っているという仮説をたてています。

本研究の成果は、地球だけでなく異なる地質環境についても適用可能です。深海の熱水条件下において、カルボン酸の時間の早い反応経路を示せたことで、地球外生命の可能性や、地球の生命がどのように誕生したのかという困難な問いの答えに大きく一歩近づくことができました。