高解像度原子間力顕微鏡によって明らかになった小惑星リュウグウ中の有機分子の直接観察

古代の宇宙化学を間近に

地球が生物を宿す惑星になるずっと前から、複雑な炭素を多く含む分子はすでに宇宙空間を漂っていました。その古い物質の一部は小惑星の内部に閉じ込められました。本研究は、小惑星リュウグウから直接持ち帰られたそれら原始的な構成要素をズームインして調べます。個々の原子の存在を“感じ取る”超高感度の顕微鏡を用いることで、研究者たちはこれまで見られなかったほど大きく複雑な有機分子を明らかにし、太陽系の化学史や地球を居住可能にしたかもしれない成分に新たな手がかりを与えます。

原始天体からの清浄な試料

地球外有機物に関する我々の知見の多くは、地球に落下した隕石から得られています。これらの試料は極めて貴重ですが、空気や土壌、生物由来の汚染を受けやすいというリスクがあります。日本のはやぶさ2ミッションは、暗く炭素に富む小惑星リュウグウからの無垢な粒子を厳格なクリーン条件で採取して持ち帰ることで状況を変えました。強力な質量分析装置を用いたリュウグウの可溶性有機物の先行研究では、アミノ酸、塩基、酸、そして数個の縮合した炭素環から成る小さな多環芳香族炭化水素（PAH）を含む、何万もの異なる化学式がすでに明らかにされていました。しかし、これらのバルク解析手法は主に比較的小さくて豊富な種のみを検出しがちで、稀な大きな分子はノイズの中に埋もれてしまいます。

原子を“触る”顕微鏡

見落とされているものを明らかにするため、研究チームは高解像度原子間力顕微鏡（AFM）に注目しました。AFMは鋭い探針と試料表面との間の力を穏やかに感知することで分子の形状を写し出す手法です。探針を一つの一酸化炭素分子で機能化し、極低温かつ超高真空で動作させることで、AFMは単一分子内の個々の環の輪郭まで描き出せます。研究者たちはリュウグウの有機物を溶媒で抽出し、そのごくわずかな一部を金属表面に堆積させ、マイクロメートルサイズの領域を根気よく探して小惑星由来の孤立分子を見つけました。三次元分子の輪郭をたどることを可能にする特殊な「マルチパス」走査モードにより、従来の手法では見逃されがちな詳細が明らかになりました。

巨大で奇妙な形の炭素骨格

詳細にイメージングされたわずか22個の分子から、印象的な図が浮かび上がりました。それらはすべて複数の縮合環から成るPAH様構造でしたが、サイズや形状は非常に多様で、同じパターンのものは一つもありませんでした。中には五、六個程度の環からなる控えめなものもあれば、100個を超える環を含み分子量が3000原子質量単位以上に達すると推定される極めて巨大なものもありました。これは従来の解析でリュウグウに同定されていた一〜六環のPAHよりはるかに大きいものです。環のネットワークは単純な平坦な蜂の巣構造ではなく、六員環に加えて多くの分子が五員環、七員環、八員環を含み、それらが炭素骨格を曲げて面外へと逸脱させていました。芳香族コアの周りに見られる明るい突起は短い側鎖、特にメチル基が関与している可能性を示唆しており、これら古代有機物のさらなる複雑さを示しています。

実験室試料と星間空間をつなぐ

これらの予想外に大きな三次元PAHは、天文学者が宇宙で推定するものと化学者が手に取って見る試料との間に長年存在していたギャップを埋める助けになります。星間雲の赤外観測は、数十から約百個の炭素原子を含むPAHが宇宙に一般的であることを示唆してきましたが、こうした巨大分子は集合的な手法では隕石や小惑星物質から確認するのが難しかったのです。AFMは通常の検出限界を迂回します：実質的に1個しか存在しない分子でも可視化でき、感度は分子の質量に依存しません。研究チームがイメージングしたリュウグウの分子は、宇宙で観測されるフラーレン様種などの大きく曲がった炭素構造の近縁体や中間体を表している可能性があり、星間雲から固体天体、そして最終的に惑星表面へと至る複雑な炭素の進化に新たな洞察を与えます。

我々の宇宙起源にとっての意義

専門外の読者に向けた要点は、リュウグウのような小惑星が、従来の手法ではほとんど見えなかった大きく複雑な有機分子という隠れた積荷を運んでいるということです。分子ごとに炭素骨格を直接「観る」ことで、この研究は宇宙化学がアミノ酸や小さな環のような単純な材料だけでなく、さらに複雑な有機物へのステップストーンとなり得る巨大でねじれた骨格も構築し得ることを示しています。本研究は単一分子AFMが地球外化学を探る強力な新しい窓であることを示し、今後の他の小惑星や隕石試料の解析が、地球上の生命に先立つ原料の姿をさらに精緻にしていくだろうことを示唆しています。

引用: Iwata, K., Oba, Y., Naraoka, H. et al. Direct observation of organic molecules in asteroid ryugu revealed by high-resolution atomic force microscope. Nat Commun 17, 3416 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71484-y

キーワード: 小惑星リュウグウ, 地球外有機物, 多環芳香族炭化水素, 原子間力顕微鏡, 生命の起源