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著者プロフィール
長谷川政美(はせがわ まさみ)

1944年生まれ。進化生物学者。統計数理研究所名誉教授。総合研究大学院大学名誉教授。理学博士(東京大学)。著書に『系統樹をさかのぼって見えてくる進化の歴史』(ベレ出版)『分子系統学』(岸野洋久氏との共著)『DNAに刻まれたヒトの歴史』(共に岩波書店)『新図説 動物の起源と進化―書きかえられた系統樹』(八坂書房)など多数。1993年に日本科学読物賞、1999年に日本遺伝学会木原賞、2005年に日本進化学会賞・木村資生記念学術賞など受賞歴多数。進化が一目でわかるフラワーレースヘアバンド カチューシャは全編監修を務める。

 

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凍りついた地球

文と写真 長谷川政美

◎「全球凍結」のインパクト

MACKAGE☆AIMIファーダウンジャケット BLACKで紹介したように、25億年までには生まれたと考えられる酸素発生型光合成を行なうシアノバクテリアは、地球環境に大きな影響を及ぼした。酸素の増加と二酸化炭素の減少である。温室効果ガスである二酸化炭素の減少は、22億2000万年前の最初の「全球凍結(スノーボールアース)」をもたらしたと考えられる。この時代は「マクガニン氷期」と呼ばれる。
太陽からの日射は地球の表面を暖めるが、暖められた地表は赤外線を熱輻射して宇宙空間に放射する。このようにして、太陽から入射するエネルギー量と地球から放射されるエネルギー量が釣り合って、地表の温度が決まる。ところが、大気中に二酸化炭素などの温室効果ガスがあると、赤外線が吸収されてしまいその分のエネルギーが宇宙に放射されずに地球上に蓄積されることになる。現在問題になっている地球温暖化はこのようなしくみで起っていると考えられる。
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さらにこの頃のまだ若かった太陽は、現在とくらべると23%ほど暗かったという。このような要因が重なって、地球では赤道近くの海も凍ってしまったと考えられている。
陸地は厚さ数千メートルの氷河に覆われ、海も厚さ1000メートルの氷で閉ざされた。平均気温がマイナス40℃の時代が数百万年間続いたという。全球凍結のあいだ、現生生物の共通祖先は、凍らない深い海の底で細々と命をつないだ。海の表面が氷で覆われたため、太陽光が入ってこなくなり、多くの生物が致命的な打撃を受けた。
スノーボールアース(全球凍結)という名前は、アメリカ・カリフォルニア工科大学のジョゼフ・カーシュヴィンクによってつけられた。これは、1992年に出版された1348ページにもおよぶ「原生代の生物圏」という論文集のなかのわずか2ページの彼の論文のなかで述べられている。カーシュヴィンクは原生代に起ったと思われる複数回の全球凍結が、生物の急速な進化を可能にする環境を作ったのではないかという議論を展開している。

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最初に全球凍結の考えが示唆されたのは、次回で紹介するもっとあとの時代についてであった。古地磁気の測定から赤道近くの低緯度地方にあったはずの場所にも氷河の痕跡が見つかり、全球凍結が起ったのではないかと考えられたのだ。しかしその後、もっとさかのぼったおよそ22億年前にも起ったと考えられるようになったのである。
もしも一度全球凍結が起ってしまうと、氷が太陽光を反射するため、いつまでたっても地球は暖まらないことになる。それでは現在見られるような温暖な地球は存在しないことになる。そのため、地球が凍ったというさまざまな証拠があったにもかかわらず、全球凍結という考えは受け入れられなかった。全球凍結は一度陥ったら最後、そこから回復することは不可能だと考えられたのだ。
それでは実際にはどのようにして全球凍結から抜け出すことができたのだろうか。カーシュヴィンクによると、それは地球の火山活動のおかげだったという。氷に覆われた状態でも、火山活動は続く。火山ガスとして二酸化炭素が放出されると、これが温室効果ガスとして働き、全球凍結から抜け出すことができたとされている。
通常は、大気中の二酸化炭素は生物の光合成活動によって消費されるだけでなく、地表面の化学的風化作用によっても消費される。大気中の二酸化炭素は水に溶けて炭酸になるが、これが大陸地殻を構成する珪酸塩鉱物を溶かす。このような風化作用によってさまざまな陽イオンが溶けて河川を通じて海に運ばれるが、これらの陽イオンは海水中の炭酸水素イオンと反応して炭酸塩となり海底に沈殿する。このようにして二酸化炭素が消費されるのだ。
ところが、地表がすべて氷で覆われているような状況ではそのようなことは起らないので、火山ガスとして放出される二酸化炭素は大気中で増え続けることになり、最終的に全球凍結から抜け出すことができたと考えられる。
全球凍結の時代、地球上のほとんどの生物は絶滅した。表36-1に地球史上の主要な大量絶滅をまとめたが、22億2000年前の全球凍結はその最初の事件だったと思われる。


◎命をつないだ生き物たち

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ところが、この全球凍結の時代の海水中の無機炭素同位体比は、火山ガスにおける値と変わらないという。このことは、生物による光合成活動がほとんど停止してしまったことを意味する。
全球凍結の時代、海も1000メートルもの厚さの氷で覆われたが、そのような時代にあっても、生物が命をつないでいくことが可能だった場所が存在したはずである。そのような場所として最も有望なのが海底の熱水噴出孔である。しかし、厚い氷の下には太陽の光は届かないので、そのような環境では光合成生物は生きていくことができなかったと思われる。
ところが、シアノバクテリアは最初の全球凍結よりも前に進化していたことは確かなので、彼らが全球凍結の時代をどのように生き延びたかは興味ある問題である。火山活動などで氷に覆われることを免れた場所があり、そこで生き延びた可能性が考えられる。地球の火山活動が全球凍結から抜け出すきっかけを与えたと同時に、生命が細々と存続することを可能にしていたのだ。
また最近、火山活動が盛んな場所でなくても、全球凍結時代をシアノバクテリアが生き抜くことができた可能性も指摘されている。アメリカSETI研究所のデール・アンダーソンらは、南極の氷に覆われたウンターゼーという湖の水深160メートルの真っ暗な水底でシアノバクテリアが活動していることを発見した。これはに放映されたNHKの「南極氷の下のタイムカプセル」という番組でも紹介されたものである。全球凍結の時代でも、赤道近くでは氷が薄かった場所もあったとすれば、彼らはごくわずかに届く太陽光を使って、光合成を続けていたと思われる。
現存の深海の動物には大きな眼をもったものが多い。そんなところにも微量の光が届いているのだ。それに対して真っ暗闇の洞窟の動物には眼を失ったものが多い。全球凍結時代のシアノバクテリアの話に戻ると、火山活動が盛んであれば、もちろんその周辺の氷は薄くなり、光合成を続けられる可能性が高まる。

◎シアノバクテリアの出現と大気中の酸素濃度

およそ25億年前に酸素発生型光合成を行なうシアノバクテリアが出現した。それ以前には、大気に含まれる酸素の量は、現在の1000億分の1以下だったという。それが24億5000万年前頃に現在の10万分の1以上に増加した。これはシアノバクテリアによるものだと考えられる。その頃から、酸化鉄の大量の沈殿が見られるようになる(図29-3)。

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図29-3 オーストラリア北西部で見つかった25億年前の縞状鉄鋼層。シアノバクテリアの放出した酸素分子が海水中の鉄分と反応して酸化鉄に変わり、鉄さびが海底に堆積したもの。左に見えるのがくっついた磁石で、確かに鉄が多く含まれていることが分かる。このような鉄鉱石は世界各地で見られるもので、人類が鉄器を使った文明を発達させるのに貢献した(蒲郡市生命の海科学館・所蔵標本)。再掲

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カラハリ・マンガン鉱床は、酸素を豊富に含む大気のもとでしか形成されないので、海中にも大気中にも酸素が豊富に存在したことを示す。これが「大酸化事変」である。さらにこの頃にオゾン層が作られた証拠もある(田近英一『大気の進化46億年―O2とCO2』)。オゾン層も酸素が豊富に存在しないとできないものである。
しかしながら、なぜ地球が全球凍結状態から脱出した直後に大気中の酸素濃度が急に増加したかは謎であった。2015年になって、東京大学の原田真理子さん、田近英一さん、関根康人さんらは、コンピュータ・シミュレーションによって全球凍結直後に酸素濃度が必然的に上昇することを明らかにした(図36-1)。

図36-1 コンピュータ・シミュレーションで得られた地球大気中酸素レベル(赤色)の進化の様子。3つの水色のピークが全球凍結を示す。最初の全球凍結の前に灰色のピークで示された氷河時代があった.最初の全球凍結以前の酸素レベルは現在の100万分の1程度しかなかったが、全球凍結直後から急激に上昇し、100万年後には現在とほぼ同じレベルにまで達した後、1億年ほどかけて現在の100分の1近くまで低下した。その後、6億5000万年前の全球凍結の直後から再び上昇し、最終的にほぼ現在のレベルに落ち着いた。3を改変。

全球凍結直後の地球は、火山活動によって放出された二酸化炭素が大気中に大量に蓄積したため、地球の平均気温が60℃を超えるような高温だったと考えられる。その結果、大陸表面が激しく風化浸食され、生物にとって必須元素であるリンが大量に海へ供給され、シアノバクテリアの爆発的な繁殖がもたらされた。こうして、厖大な量の酸素が大気中に放出され、その濃度が急激に上昇したという。
それまでは現在の100万分の1程度しかなかった大気中の酸素濃度は、全球凍結のおよそ100万年後には現在とほぼ同じレベルにまで達した後、1億年ほどかけて現在の100分の1近くにまで低下するという一時的に行き過ぎてから少しだけ元に戻る「オーバーシュート」が生じたという。
シアノバクテリアが生まれるまでは地球上には分子状の酸素はほとんど存在しなかった。それが、25億年前頃から現在の100万分の1程度のレベルまで酸素濃度が増大し、22億2000万年前の全球凍結の時代までそのレベルが続いた。微量とはいっても、それまで酸素にあまり接してこなかった生物にとって、猛毒であった。この間、酸素を無毒化するためのいろいろな機構が進化したものと思われる。

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