金沢大学環日本海域環境研究センターの福士圭介准教授，大学院自然科学研究科博士前期課程1年の森田康暉さん，東京工業大学地球生命研究所の関根康人教授（金沢大学環日本海域環境研究センター客員教授），米国・ハーバード大学のRobin Wordsworth（ロビン・ワーズワース）准教授，物質・材料研究機構の佐久間博主幹研究員らの共同研究グループは，太古の火星に存在した水の水質復元に世界で初めて成功し，塩分やpHといった火星の水質が生命の誕生と生存に適したものであることを明らかにしました。
これまでの欧米による周回衛星や探査車の調査から，火星表面には河川跡などの流水地形や，水の作用で生成する鉱物が存在することが確認されており，約40～35億年前の太古の火星には液体の水があったことが確実視されています。しかし，生命の存否にとって重要となる，当時の水の塩分やpHなどの水質は分かっていませんでした。
本研究では，アメリカ航空宇宙局（NASA）の火星探査車キュリオシティ（※）が探査を行っているゲール・クレータ内部に存在した巨大湖に着目し，その湖底にたまった堆積物の探査データを，地球の放射性廃棄物処理分野で開発された手法で独自に解析しました。その結果，かつて火星に存在した水の水質が，地球海水の1/3程度の塩分で，pHは中性であり，ミネラルやエネルギーも豊富に含むことが分かり，生命の生存に適したものであることを明らかにしました。また，地球の河川に含まれる典型的な塩分と気候モデルから導かれるゲール・クレータ湖からの蒸発率を使い，ゲール・クレータ湖の塩分が実現するために必要な塩分の濃縮期間を求めた結果，復元された塩分を達成するためには，100万年程度の期間，塩分やミネラルが河川を通じて湖に運ばれ，濃縮されることが必要であるということも分かりました。このような溶存物質の濃縮が起きる場は，有機物の重合・高分子化にも有利なため，地球生命誕生の場の候補とも考えられています。
これらの知見は，“かつて水が存在した惑星”という火星の従来の描像を“生命の誕生と生存に適した惑星”へと塗り替える進展であり，その水質復元法は，近い将来，わが国の小惑星探査機「はやぶさ２」の帰還試料の分析にも応用されるものです。
本研究成果は，2019年10月25日10時（英国時間）に英国科学誌『Nature Communications』に掲載されました。
図1. 放射性廃棄物の地層処分分野で開発されたスメクタイトの層間組成を利用した水質復元法
層状構造を有する粘土鉱物スメクタイトは層間に陽イオン（Na+，K+，Mg2+，Ca2+）を保持する性質を持つ。層間に保持される陽イオン組成は接触する水に含まれる陽イオン組成に応じて決定される（イオン交換平衡）。接触する水が消失した後でもスメクタイト層間には陽イオンが保持されるため，残された層間の陽イオン組成から，かつてスメクタイトが接触していた水の陽イオン組成に関する情報を得ることができる。さらに水の作用で生成した鉱物（塩など）がスメクタイトと共存している場合，それら塩と水との間の化学反応（溶解・沈殿反応）を考慮することで，陰イオン（Cl-，SO42-，HCO3-）組成やpHを復元することができる。
図2. 本研究により復元されたゲール・クレータ湖沼堆積物間隙水の水質の結果
地球上の淡水湖（琵琶湖）や海水と同様にpHは生命にとって好適な条件である中性を示し，ミネラルを豊富に含む。
【用語解説】
※ 火星探査車キュリオシティ
NASAによる火星探査ミッションであるマーズ・サイエンス・ラボラトリにおける探査車。キュリオシティはその探査車の愛称である。2012年から現在も，火星ゲール・クレータ内の湖底堆積物の探査を行っている。高性能カメラや温度・湿度・速度計などの環境計測装置に加え，火星の土壌や堆積物の化学組成や鉱物組成，有機物を分析するための装置を搭載している。
研究者情報：福士 圭介
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