TED日本語 - ディミター・サセロフ: どうやって数百の地球型惑星を見つけたのか


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TED日本語 - ディミター・サセロフ: どうやって数百の地球型惑星を見つけたのか

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How we found hundreds of Earth-like planets


Dimitar Sasselov




Well, indeed, I'm very, very lucky. My talk essentially got written by three historic events that happened within days of each other in the last two months -- seemingly unrelated, but as you will see, actually all having to do with the story I want to tell you today. The first one was actually a funeral -- to be more precise, a reburial. On May 22nd, there was a hero's reburial in Frombork, Poland of the 16th-century astronomer who actually changed the world. He did that, literally, by replacing the Earth with the Sun in the center of the Solar System, and then with this simple-looking act, he actually launched a scientific and technological revolution, which many call the Copernican Revolution. Now that was, ironically, and very befittingly, the way we found his grave. As it was the custom of the time, Copernicus was actually simply buried in an unmarked grave, together with 14 others in that cathedral. DNA analysis,one of the hallmarks of the scientific revolution of the last 400 years that he started, was the way we found which set of bones actually belonged to the person who read all those astronomical books which were filled with leftover hair that was Copernicus' hair -- obviously not many other people bothered to read these books later on. That match was unambiguous. The DNA matched, and we know that this was indeed Nicolaus Copernicus.

Now, the connection between biology and DNA and life is very tantalizing when you talk about Copernicus because, even back then, his followers very quickly made the logical step to ask: if the Earth is just a planet, then what about planets around other stars? What about the idea of the plurality of the worlds, about life on other planets? In fact, I'm borrowing here from one of those very popular books of the time. And at the time, people actually answered that question positively: "Yes." But there was no evidence. And here begins 400 years of frustration, of unfulfilled dreams -- the dreams of Galileo, Giordano Bruno, many others -- which never led to the answer of those very basic questions which humanity has asked all the time. "What is life? What is the origin of life? Are we alone?" And that especially happened in the last 10 years, at the end of the 20th century, when the beautiful developments due to molecular biology, understanding the code of life, DNA, all of that seemed to actually put us, not closer, but further apart from answering those basic questions.

Now, the good news. A lot has happened in the last few years, and let's start with the planets. Let's start with the old Copernican question: Are there earths around other stars? And as we already heard, there is a way in which we are trying, and now able, to answer that question. It's a new telescope. Our team, befittingly I think, named it after one of those dreamers of the Copernican time, Johannes Kepler, and that telescope's sole purpose is to go out, find the planets that orbit other stars in our galaxy, and tell us how often do planets like our own Earth happen to be out there. The telescope is actually built similarly to the, well-known to you, Hubble Space Telescope, except it does have an additional lens -- a wide-field lens, as you would call it as a photographer. And if, in the next couple of months, you walk out in the early evening and look straight up and place you palm like this, you will actually be looking at the field of the sky where this telescope is searching for planets day and night, without any interruption, for the next four years.

The way we do that, actually, is with a method, which we call the transit method. It's actually mini-eclipses that occur when a planet passes in front of its star. Not all of the planets will be fortuitously oriented for us to be able do that, but if you have a million stars, you'll find enough planets. And as you see on this animation, what Kepler is going to detect is just the dimming of the light from the star. We are not going to see the image of the star and the planet as this. All the stars for Kepler are just points of light. But we learn a lot from that: not only that there is a planet there, but we also learn its size. How much of the light is being dimmed depends on how big the planet is. We learn about its orbit, the period of its orbit and so on. So, what have we learned? Well, let me try to walk you through what we actually see and so you understand the news that I'm here to tell you today.

What Kepler does is discover a lot of candidates, which we then follow up and find as planets, confirm as planets. It basically tells us this is the distribution of planets in size. There are small planets, there are bigger planets, there are big planets, okay. So we count many, many such planets, and they have different sizes. We do that in our solar system. In fact, even back during the ancients, the Solar System in that sense would look on a diagram like this. There will be the smaller planets, and there will be the big planets, even back to the time of Epicurus and then of course Copernicus and his followers. Up until recently, that was the Solar System -- four Earth-like planets with small radius, smaller than about two times the size of the Earth -- and that was of course Mercury, Venus, Mars, and of course the Earth, and then the two big, giant planets. Then the Copernican Revolution brought in telescopes, and of course three more planets were discovered. Now the total planet number in our solar system was nine. The small planets dominated, and there was a certain harmony to that, which actually Copernicus was very happy to note, and Kepler was one of the big proponents of. So now we have Pluto to join the numbers of small planets. But up until, literally,15 years ago, that was all we knew about planets. And that's what the frustration was. The Copernican dream was unfulfilled.

Finally,15 years ago, the technology came to the point where we could discover a planet around another star, and we actually did pretty well. In the next 15 years, almost 500 planets were discovered orbiting other stars, with different methods. Unfortunately, as you can see, there was a very different picture. There was of course an explanation for it: We only see the big planets, so that's why most of those planets are really in the category of "like Jupiter." But you see, we haven't gone very far. We were still back where Copernicus was. We didn't have any evidence whether planets like the Earth are out there. And we do care about planets like the Earth because by now we understood that life as a chemical system really needs a smaller planet with water and with rocks and with a lot of complex chemistry to originate, to emerge, to survive. And we didn't have the evidence for that.

So today, I'm here to actually give you a first glimpse of what the new telescope, Kepler, has been able to tell us in the last few weeks, and, lo and behold, we are back to the harmony and to fulfilling the dreams of Copernicus. You can see here, the small planets dominate the picture. The planets which are marked "like Earth," [ are ] definitely more than any other planets that we see. And now for the first time, we can say that. There is a lot more work we need to do with this. Most of these are candidates. In the next few years we will confirm them. But the statistical result is loud and clear. And the statistical result is that planets like our own Earth are out there. Our own Milky Way Galaxy is rich in this kind of planets.

So the question is: what do we do next? Well, first of all, we can study them now that we know where they are. And we can find those that we would call habitable, meaning that they have similar conditions to the conditions that we experience here on Earth and where a lot of complex chemistry can happen. So, we can even put a number to how many of those planets now do we expect our own Milky Way Galaxy harbors. And the number, as you might expect, is pretty staggering. It's about 100 million such planets. That's great news. Why? Because with our own little telescope, just in the next two years, we'll be able to identify at least 60 of them. So that's great because then we can go and study them -- remotely, of course -- with all the techniques that we already have tested in the past five years. We can find what they're made of, would their atmospheres have water, carbon dioxide, methane. We know and expect that we'll see that.

That's great, but that is not the whole news. That's not why I'm here. Why I'm here is to tell you that the next step is really the exciting part. The one that this step is enabling us to do is coming next. And here comes biology -- biology, with its basic question, which still stands unanswered, which is essentially: "If there is life on other planets, do we expect it to be like life on Earth?" And let me immediately tell you here, when I say life, I don't mean "dolce vita," good life, human life. I really mean life on Earth, past and present, from microbes to us humans, in its rich molecular diversity, the way we now understand life on Earth as being a set of molecules and chemical reactions -- and we call that, collectively, biochemistry, life as a chemical process, as a chemical phenomenon.

So the question is: is that chemical phenomenon universal, or is it something which depends on the planet? Is it like gravity, which is the same everywhere in the universe, or there would be all kinds of different biochemistries wherever we find them? We need to know what we are looking for when we try to do that. And that's a very basic question, which we don't know the answer to, but which we can try -- and we are trying -- to answer in the lab. We don't need to go to space to answer that question. And so, that's what we are trying to do. And that's what many people now are trying to do. And a lot of the good news comes from that part of the bridge that we are trying to build as well.

So this is one example that I want to show you here. When we think of what is necessary for the phenomenon that we call life, we think of compartmentalization, keeping the molecules which are important for life in a membrane, isolated from the rest of the environment, but yet, in an environment in which they actually could originate together. And in one of our labs, Jack Szostak's labs, it was a series of experiments in the last four years that showed that the environments -- which are very common on planets, on certain types of planets like the Earth, where you have some liquid water and some clays -- you actually end up with naturally available molecules which spontaneously form bubbles. But those bubbles have membranes very similar to the membrane of every cell of every living thing on Earth looks like, like this. And they really help molecules, like nucleic acids, like RNA and DNA, stay inside, develop, change, divide and do some of the processes that we call life.

Now this is just an example to tell you the pathway in which we are trying to answer that bigger question about the universality of the phenomenon. And in a sense, you can think of that work that people are starting to do now around the world as building a bridge, building a bridge from two sides of the river. On one hand, on the left bank of the river, are the people like me who study those planets and try to define the environments. We don't want to go blind because there's too many possibilities, and there is not too much lab, and there is not enough human time to actually to do all the experiments. So that's what we are building from the left side of the river. From the right bank of the river are the experiments in the lab that I just showed you, where we actually tried that, and it feeds back and forth, and we hope to meet in the middle one day.

So why should you care about that? Why am I trying to sell you a half-built bridge? Am I that charming? Well, there are many reasons, and you heard some of them in the short talk today. This understanding of chemistry actually can help us with our daily lives. But there is something more profound here, something deeper. And that deeper, underlying point is that science is in the process of redefining life as we know it. And that is going to change our worldview in a profound way -- not in a dissimilar way as 400 years ago, Copernicus' act did, by changing the way we view space and time. Now it's about something else, but it's equally profound. And half the time, what's happened is it's related this kind of sense of insignificance to humankind, to the Earth in a bigger space. And the more we learn, the more that was reinforced. You've all learned that in school -- how small the Earth is compared to the immense universe. And the bigger the telescope, the bigger that universe becomes. And look at this image of the tiny, blue dot. This pixel is the Earth. It is the Earth as we know it. It is seen from, in this case, from outside the orbit of Saturn. But it's really tiny. We know that. Let's think of life as that entire planet because, in a sense, it is. The biosphere is the size of the Earth. Life on Earth is the size of the Earth. And let's compare it to the rest of the world in spatial terms. What if that Copernican insignificance was actually all wrong? Would that make us more responsible for what is happening today? Let's actually try that.

So in space, the Earth is very small. Can you imagine how small it is? Let me try it. Okay, let's say this is the size of the observable universe, with all the galaxies, with all the stars, okay, from here to here. Do you know what the size of life in this necktie will be? It will be the size of a single, small atom. It is unimaginably small. We can't imagine it. I mean look, you can see the necktie, but you can't even imagine seeing the size of a little, small atom. But that's not the whole story, you see. The universe and life are both in space and time. If that was the age of the universe, then this is the age of life on Earth. Think about those oldest living things on Earth, but in a cosmic proportion. This is not insignificant. This is very significant. So life might be insignificant in size, but it is not insignificant in time. Life and the universe compare to each other like a child and a parent, parent and offspring.

So what does this tell us? This tells us that that insignificance paradigm that we somehow got to learn from the Copernican principle, it's all wrong. There is immense, powerful potential in life in this universe -- especially now that we know that places like the Earth are common. And that potential, that powerful potential, is also our potential, of you and me. And if we are to be stewards of our planet Earth and its biosphere, we'd better understand the cosmic significance and do something about it. And the good news is we can actually, indeed do it. And let's do it. Let's start this new revolution at the tail end of the old one, with synthetic biology being the way to transform both our environment and our future. And let's hope that we can build this bridge together and meet in the middle.

Thank you very much.


本当に大変幸運ですが 私の話の本質は この2ヶ月次々と起きた 歴史的な3つの- 出来事が伝えています 3つの出来事は関りないよう思えますが すべてが今から話すことに関わりがあると おわかりになるでしょう そのうち1つは 実は葬儀 より詳しくは再埋葬です 5月22日にある英雄が再埋葬されました ポーランドのフロンボルクでです 16世紀の天文学者で 実に世界を変えた人物でした 彼がしたのは文字通り- 太陽系の中心である太陽と 地球の入れ替えです その後この単純な入れ替えにより 彼は科学及びテクノロジー分野での 革命を成し遂げました コペルニクス革命と多くの人が呼んでいるものです そのことにより 皮肉かつ とてもぴったりですが 彼の墓を見つけられたんです 当時の慣習で コペルニクスは実際 他14名と併せて 単に 大聖堂の墓標もない墓地に 埋葬されました コペルニクスに始まる 400年に及ぶ科学革命の 顕著な特徴の一つに DNA解析がありますが それにより 天文学書に多量に残された毛髪から 読者の骨が実際 どれであるのか わかるようになりました 残されていたのはコペルニクスの髪で 後で本を読むはめになった 多くの人の髪で無いのは明らかです その合致は明白です DNAは一致しました 髪と骨が実際にニコラス・コペルニクスのものだったと わかりました

さて 生物学及びDNAとー 生命の関わりですが コペルニクスを 語るのに実に気になる点なんです なぜなら当時でさえ 彼の追随者らは 実にすばやく論理的な質問をしました もし地球がただの惑星なら 他の恒星の周りの惑星はどうなっているのか?と 他の惑星の生命について 世界の大半がどう考えていたのか? 実際 当時とても普及していた- 本からの引用です そして当時 人々は実際 その質問に答えています 肯定的に「いる」と しかし証拠はありませんでした ガリレオやジョルダーノ・ブルーノ 他多数の科学者が抱いた夢は 果たされず あれから400年間 挫折続きで 人類が常に投げかけてきた 実に基本的な質問の 答えには至らなかった 生命とは何か?生命の起源とは何か? 人類は孤独なのか? そしてこの10年で 20世紀の終わりになって 分子生物学により 見事な進展が実際に起き 生命の暗号であるDNAを理解できた 実際はそれによって あの基本的な質問の 答えに近づくどころか ますますわからなくなったんです

ここでいい知らせがあります ここ数年 多くのことが起きました まずは惑星から 古い- コペルニクスのあの疑問から着手しましょう 他の星の周りに地球のような星が存在するのか? すでにお聞きになったように ある方法でその疑問に 答えようとし 今 答えが出せるようになったのです それは新型望遠鏡です 我々のチームは私が思うにぴったりなことに コペルニクスの時代に夢に思いを馳せた- ヨハネス・ケプラーの名を 望遠鏡につけました 新型望遠鏡の唯一の目的は 外に出て この銀河系の中で 他の星の周りの惑星を見つけ そこで地球に似た惑星が見つかる- 頻度を我々に教えることです 新型望遠鏡は実は ご存知の「ハッブル宇宙望遠鏡」と 同じ作りです さらに1枚広角レンズが ついていますが 写真家らしい呼び方ですね もし今後数ヶ月のうちに 夕方 外へ出て 真上を見上げ こういう風に手をかざすと 望遠鏡が惑星を探している 空の領域を実際に見ていることになります 昼でも夜でも 今後4年間 いつでもです

実際我々が行っているのは トランジット法と呼ばれる方法です 恒星の前を惑星が横切ると 実際 小規模の日食が起こります 惑星の位置によってはそれを観察する 幸運には恵まれません でも百万の星があれば 十分な数の惑星が見つかるでしょう この動画が示すように ケプラーが見つけようとしていたのは 単に星の光量の減少でした 恒星と惑星のこんな画像が見える訳ではありません ケプラーにはすべての星は光の点にすぎなかった けど そこから多くのことがわかった 惑星がそこにあることだけでなく大きさもわかりました どれだけの光量が減るかで 惑星の大きさがわかります 軌道や軌道周期 他のこともわかります じゃあ何がわかったのか? 実際我々が見たものを 皆さんにも触れて頂き 今日の話を理解して 頂けるようにしましょう

ケプラーが 候補となる星をたくさん発見し その星を我々が追跡し惑星を見つけ 惑星かどうか確認します それで基本的にわかるのは 惑星の大きさ別の分布です 小型惑星があり 中型惑星や大型惑星 がありますね そういった惑星を たくさん数えてみます 我々の太陽系の惑星を数えてると 実に 古代においてさえも 太陽系はその点では この図表のようだったでしょう 小型惑星があり 大型惑星があるという状況は エピクロスの時代になっても もちろんその後のコペルニクスの時代でも 彼の追随者の時代でも同じでした 最近までは太陽系は 地球の約2倍までの大きさの 小型の地球型惑星が4つで それはもちろん水星と 金星 火星 当然 地球も入ります それから巨大惑星が2つ その後コペルニクス革命により 望遠鏡がもたらされました 当然さらに3つの惑星が発見され 太陽系の惑星の総数は 9個となりました 小型惑星が大半ですが 実にコペルニクスが喜んで注目し ケプラーが熱心に提案したことと ある程度一致するんです 今では冥王星も小型惑星に加わりましたが 文字通り15年前までは 惑星についてわかっていたことはそれだけでした そこで挫折を感じるんです コペルニクスの夢は果たされませんでした

とうとう15年前になって 技術の発達により 他の星の周囲の惑星を見つけられるようになり 我々は実にいい成果をあげました 今後15年で 他の星を周っている 約500個の惑星が様々な方法で発見されるでしょう 残念ながらご覧のように 状況がとても変わりました 当然 説明はつきます 大型惑星しか見えないんです それでほとんどの惑星が 「木星型」に実際分類されています でもおわかりのようにほとんど進展はなく コペルニクスの頃と未だに同じです 地球のような惑星が 存在するかどうかの証拠は何もない 地球のような惑星に実に関心があるのは ここまででおわかりのように 化学組織としての生命には 小さめの惑星が本当に必要だからです 水と岩があって 多くの錯体化学が 発生し進化し生き永らえる所です それについての証拠はありませんでした

新型望遠鏡のケプラーが ここ数週間で伝えてきた情報を本日ここで 皆さんに初披露しましょう びっくりながら- コペルニクスが注目しケプラーが提案したことと一致し コペルニクスの夢を果たせるものです ご覧のように 小型惑星が大半を占めています 「地球型」とされる惑星は 我々から見える- 他の惑星よりも完全に多い 初めて今回 そう言いきれます この件で着手すべきことはまだまだ残っていますが 地球型惑星のほとんどは候補にすぎません 今後数年で確かめられるでしょう でも統計結果は はっきりしています 統計結果が示すのは 地球のような惑星は 存在するということ 我々がいる天の川銀河には地球のような惑星があふれています

そこで疑問となるのが 次に何をするのか? 場所が分かっている地球型惑星を まずは現在 調査できます 居住可能と言える惑星 つまりここ地球で我々が経験しているのと 同じ状態が存在し 錯体化学が多く発生可能な そんな惑星を探すことができます 我々の天の川銀河には 地球型惑星は どれくらいあると見こまれるのか- 数字をあげることまでできます 予想されているかもしれませんが数が とても変わってきます 地球型惑星は約1億個の見込みです 素晴らしいニュースですね なぜなら我々の小さな望遠鏡で たったこれから2年で 少なくとも60個の地球型惑星を確認できるでしょう 素晴らしい なぜならそうなると 探査機で調査に行けます もちろん遠隔操作でですが この5年間ですでに試した技術を 伴った探査機でです 惑星の成分を突きとめ 大気に水や 炭素やメタンは含まれるかがわかるでしょう そういったことがわかるようになるでしょう

素晴らしい でもそれだけじゃないんです まだ話があるんです  ここに来たのは次の話のためです 本当に面白い部分です この段階まで来たから 次の段階が可能になるんです 次は生物学の話ですが 生物学には根本的な疑問があり 答えに至っていません それは原則的に 「もし他の惑星に生命がいるなら 地球上の生命に似ているのだろうか?」 ここで言っておきますが生命は 素晴らしい生命 人の命といった  「豊かな生命」を意味しません 過去から現在の地球に 存在した微生物から人類までの 実に多様な分子構造を 生命だと言いたいんです 地球上の生物は分子群からなり 化学反応しているというのが現在の理解です それらを包括し 生化学と呼びます 化学プロセスとしての生命- 化学現象としての生命です

そこで疑問になるのが その化学現象は普遍的なのか? それとも 惑星ごとに異なるのか? 重力のように 宇宙のどこでも同じなのか もしくは発見先ごとに生化学は すべて異なるものなのだろうか? 何かを発見するには何を見つけたいのかを わかっておく必要があります それは答えはわからないながら とても基本的な疑問で しかし答えを求めようとすることはでき 研究室にて答えを出そうとしています 疑問を解きに宇宙に- 行く必要はないです だから我々は研究室で答えを求め 現在他にもたくさんの人が同じことをしています 橋を築こうとしてるのですが 多くのいい知らせが- その橋からもたらされています

ここで見てもらいたい 1つの例があります 生命と呼ばれる現象に必要なことは 何かを考えると 区画化が思い浮かびます 生命に重要な分子を周りの環境から 切り離し膜に 閉じ込めることですが 実際分子と膜が一緒に発生しうる 環境においてです 我々の研究所の1つ ジャック・ショスタックの研究所で この4年間で行った 一連の実験では 水と粘土が存在する- 地球型惑星で とてもよくある環境- そんな環境においては 自然に存在する分子が 自発的に泡を形成する との結果に行きつきました 泡には膜があり 地球上のすべての生物の すべての細胞の膜にとてもよく似ています このようにです RNAやDNAといった核酸のような分子は 本当に膜のおかげで 内部で発達し 変異し分裂し 我々が生命と呼ぶ作用が起きるのです

現象の普遍性についての  より大きな疑問に 答えるための筋道を 話すにあたりこれはただの例にすぎないんです ある意味 今世界中の科学者が 着手しようとしている仕事は 橋造りのようなものだと考えられます 川の両岸から橋を架けるような 一方は川の左岸で 私のような研究者らが惑星の環境を 明らかにしようとしている 可能性が多すぎて やみくもに調査したくないんです すべての実験を実際に行うには 研究所の数も人が- 費やせる時間も限られている だから右岸からも橋を造る必要がある 川の右岸では 今お見せした実験が研究所で行われ 実際実験し 結果は行きつ戻りつで いつか橋がつながればと思います

ではなぜそれに気をとめて頂きたいのか? なぜ造りかけの橋を 買ってもらいたいと? 私にそんなに魅力がある? 理由はたくさんあり 今日の短い話の中で 何点かお話しました 化学を理解すると 実際 日常生活に 役立ちます でもより深遠で奥深い- 理由があるんです 奥深く根源的な点とは 我々が理解する生命を 化学が再定義しようと- していることです それにより我々の世界観が 大きく変わろうとしている 400年前の コペルニクスの行動が 宇宙と時間に対する 考え方を変えたことには 似ても似つきませんが 別の話ですが 重大さでは同じです それで しばしば 起こったことは 大きな宇宙では 地球や 人類はちっぽけだという こういう感覚に 関係あるんです 知れば知る程 強まっていきます 広大な宇宙と比べると どれだけ地球が小さいか- 皆 学校で習いました 望遠鏡が大きくなるほど 宇宙も広がるんです この画像の青い点を見て下さい この画素が地球です 我々が知る地球です この場合は 土星軌道の 外から眺めていることになります 本当に小さい それはわかっています 地球全体としての生命を考えてみましょう ある意味 地球全体で生命ですし 地球の大きさが生物圏です 地球上の生命は 地球の大きさです それを専門的な見方で宇宙と 比べてみましょう もしもコペルニクスの 無力さが本当は 全く間違いだったら? だとしたら今の出来事に さらに責任が持てるようになるのか? では実践してみましょう

宇宙では 地球はとても小さい どれだけ小さいか想像できますか? やってみましょう じゃあ例えば これが観測可能な 宇宙の大きさとします すべての銀河と星が ここにあります ここからここまでです このネクタイで生命は どれくらいの大きさになるでしょうか? 原子一個分の 大きさでしょう 想像できない程小さい 想像不可能です ネクタイは見えますが 原子一個程の小さいものが 見えるとは想像もつかない でも話はこれからです 宇宙と生命には 空間と時間の両方が存在する もしこのネクタイが 宇宙の年齢を示すとしたら これが地球の生命の歴史です 地球最古の生命について 宇宙規模で考えてみます ちっぽけなんかじゃない とても意味がある 生命の大きさはちっぽけですが 時間を考えるとそうじゃない 生命と宇宙は 親子や 親と子孫のように 比較されます

じゃあ何がわかるのかというと コペルニクス主義の- 頃からとにかく学んできた ちっぽけであるという 範例が間違っている- というのが解ります この宇宙に存在する生命には 巨大で強力な可能性がある 地球型惑星はありふれていると わかった今なら なおさらです そして その強力な可能性とは 私たち皆の 可能性でもあるのです この地球と その生物圏の 世話をしていくなら 宇宙の重要性を もっと理解し何らかの 行動をとっていくべきです 好材料なのは 実際 そうすることが可能なことです だからやりましょう 新しいこの革命を起こし 古い革命を終わらせましょう 我々の環境と未来の 両方を変えることの- できる 合成生物学を 用いてです この橋を一緒に築き いつか つながればと思います



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