地質学者は地球が初めて息を吹き込んだ時期を探している

はるか昔、地球は私たちの住む世界とはまったく異なる場所でした。ロディニアと呼ばれる巨大な超大陸は、ローレンシア、バルティカ、ゴンドワナランドなど、どこかで聞き覚えのある名前を持つ破片に分裂していました。一時期、地球は完全に氷の層に覆われていました。生命は、この劇的に変化する世界にかろうじてしがみついていました。

これらはすべて、今日の科学者が新原生代と名付けた地球の歴史の一章から生まれたもので、およそ 10 億年前から 5 億 4000 万年前まで続きました。その石のページに記された長い時間は、今日の世界へのはるか昔の前兆でした。太古の海で原生生物から進化し、最初の動物が誕生した時代です。

現代の人間やその仲間の動物たちと同じように、これらの太古の先駆者たちも生きるために酸素を必要としていただろう。しかし、酸素はどこから、いつ来たのか？まだ確かな答えは出ていない。しかし専門家たちは、新原生代に酸素がどのように蓄積されたかのぼんやりとしたスナップショットを作成し、本日Science Advances誌に発表した。そのスナップショットは、数千万年続いたサイクルで、酸素が大気中に放出されては再び消失する期間が繰り返される、起伏の多い様子を示している。

そこまで遡るには、現代世界について私たちが当然だと思っていることの多くを窓の外に投げ出さなければならない。「時間を遡れば遡るほど、地球はより異質な世界になる」と、論文の著者の一人であり、英国ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの地質学者であるアレクサンダー・クラウス氏は言う。

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実際、地球が形成された後、その初期の大気は火山の噴火によって噴出されたガスの寄せ集めでした。数十億年にわたって、それらは有害なメタン、硫化水素、二酸化炭素、水蒸気の混合物で地球を覆いました。

しかし、時が経つにつれて状況は変わります。約 23 億年前、シアノバクテリアと呼ばれる微生物が光合成によって酸素を大量に生成したことがわかっています。科学者たちは、この最初のガスの滴を独創的に「大酸素化イベント」と呼んでいます。しかし、その壮大な名前にもかかわらず、この出来事によって大気中の酸素は現在のレベルのほんの一部にしか達しませんでした。

当時から現在までに何が起こったのかは、まだはっきりしない。多くの専門家は、動物が海から陸に這い上がり始めたちょうどその頃、古生代約4億年前に別の酸素化イベントがあったと考えている。この新しい研究の著者を含む別のグループは、新原生代約7億年前に3回目のイベントがあったと考えている。しかし、酸素が時間の経過とともに徐々に増加したのか、それとも大きく変動したのかは、誰も確実には知らない。

地質学者にとって、これは重要な情報です。なぜなら、大気中の酸素は地球表面のほぼすべてのプロセスに関わっているからです。初期の生命は主に海中に生息していたとしても、海洋の上層部と大気圏は常にガスを交換しています。

さらに詳しく知るために、クラウス氏と共同研究者は、15億年前から現在までの大気をシミュレートし、その間に空気中の酸素レベルがどのように変動したかを調べた。数十億年前の空気を嗅ぐ技術はなかったが、地質学者が古代の大気がどのようなものだったかを再現するために使える痕跡がいくつかある。その時代の堆積岩を調査することで、大気中の酸素によって形成される炭素と硫黄の同位体を測定できる。

さらに、地球の地殻プレートが動くと、マントルの奥深くに埋もれている酸素が地殻脱ガスと呼ばれるプロセスを通じて現れ、空気中に泡立つことがある。クラウス氏と彼の同僚は、関連する時代の地殻活動に関する情報を使用して、以前、時間の経過に伴う脱ガスの歴史を推定した。

こうした断片的な証拠をまとめることで、研究チームは、現在まで空気中の酸素濃度がどのように変動してきたかを予測した。科学者がこのようなモデルを作ろうとしたのは今回が初めてではないが、クラウス氏によると、10億年のタイムスケールで試みたのは初めてだという。「他の研究者は、数千万年分しか再現していません」とクラウス氏は言う。

彼と彼の同僚は、大気中の酸素濃度が地球の歴史を通じて一直線に推移したわけではないことを発見した。むしろ、酸素のジェットコースターのようなものだと想像してほしい。約 1 億年の間に、酸素濃度は現代のレベルの約 50 パーセントまで上昇し、その後再び急落した。新原生代だけでも、このようなピークが 5 回あった。

大気が本格的に満たされ始めたのは、5億4千万年前の古生代になってからである。そしてついに、3億5千万年前頃に、酸素は現在のレベルに近いものに達した。この増加は、カンブリア爆発として知られる生命の多様性の爆発と同時期であった。それ以来、酸素レベルは変動し続けてきたが、現在の約60%を下回ったことは一度もない。

「興味深い論文だ」と、この研究には関わっていないモントリオールのマギル大学の地質学者マックスウェル・レヒト氏は言う。「これはおそらく、地球の遠い過去の研究における、ここ10年ほどの大きな論争点の一つだろう」

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しかし、シミュレーションに使用されたデータセットは不完全だったことに注意することが重要です。「まだ調査されていない岩石が多数あります」とレヒト氏は言います。「より多くの研究が発表されれば、モデルが更新される可能性があり、出力が大幅に変わる可能性があります。」

そうなると、酸素の傾向が生命の進化にどのような波及効果をもたらしたかが当然の疑問となる。結局のところ、原生生物が多様化し、最初の動物、つまり生きるために酸素を必要とする多細胞生物へと広がり始めたのは、おそらく3度目の酸素化イベントのときだった。古生物学者は、その時代の終わりにまで遡る化石を大量に発見しており、その中には論争の的となっている8億9000万年前の海綿動物も含まれている。

これらの動物は、カンブリア爆発のような酸素レベルが十分に高かった時代に発達し、繁栄した可能性がある。一方、酸素レベルの低下は、大量の死滅と同時期に起こった可能性がある。

天文学者もこの研究に注目するかもしれない。酸素化に関する答えは、地球に似た遠方の太陽系外惑星で何が見つかるかに重大な影響を及ぼす。地質学者の考えが正しければ、地球の歴史は直線的ではなく、むしろ凸凹、ねじれ、そして時には激しいものであることの証拠となる。「この論文が扱うこれらの疑問は、地球が実際にどのように機能しているかについての理解に根本的なギャップがあることを示している」とレヒトは言う。