Evolution of Earth
衛星写真からすぐにわかる、青く、雲が発達した惑星は、ラピスラズリの宝石に似て、驚くほど安定しているように見えます。 大陸と海があり、酸素の豊富な大気に包まれ、見慣れた生命体が生息しています。 しかし、この安定性は人間の時間感覚が生み出した幻想である。 地球とその大気は絶えず変化している。 プレートテクトニクスによって大陸が移動し、山が隆起し、海底が移動する一方で、まだ十分に解明されていないプロセスによって気候が変化しているのだ。 当初から、熱と重力が地球の進化を形作っていた。 これらの力は、生命の出現による地球規模の影響によって、徐々に加わっていった。 この過去を探ることは、生命の起源と、おそらくその未来を理解する唯一の可能性を与えてくれる。
かつて科学者は、地球、水星、金星、火星などの岩石質の惑星は、塵の雲が急速に重力崩壊し、密度の高い球体を生み出すデーションによって誕生したと考えていた。 しかし、1960年代のアポロ宇宙計画によって、この考え方は変わりました。 月のクレーターの研究から、これらの窪みは、約45億年前に大量にあった天体が衝突してできたものであることがわかったのだ。 その後、衝突の回数は急速に減少したようだ。 この観測により、オットー・シュミットが提唱した降着説が見直された。 シュミットによれば、宇宙の塵は塊となって微粒子となり、微粒子は砂利となり、砂利は小さな玉となり、大きな玉となり、小さな惑星、すなわちプラネテシマルとなって、ついには塵は月の大きさにまでなったということである。 そして、塵は月の大きさになり、惑星は大きくなるにつれ、その数は減っていった。 その結果、惑星状天体同士の衝突、つまり隕石の衝突の回数が減っていった。 つまり、大きな惑星を作るには時間がかかるということだ。 カーネギー研究所のジョージ・W・ウェザイルの計算では、直径10kmの天体が形成されるまでに約1億年、地球サイズの天体が形成されるまでに約1億年かかるとされている
降着の過程は地球にとって大きな熱影響を与え、その進化の方向を強制的に決定した。 地球に衝突した大きな天体は、その内部に巨大な熱を発生させ、そこにある宇宙の塵を溶かしました。 地下200〜400kmにあるマグマ溜まりはマグマオーシャンと呼ばれ、何百万年も活動し、火山噴火を引き起こした。 地球が若かった頃、火山活動や内部からの溶岩による地表の熱は、月や火星ほどの大きさの巨大な天体の絶え間ない衝突によって、より強くなっていました。 アポロ計画では、地球が付加体によって形成されたことを明らかにするだけでなく、初期の地球の時間的・物理的発展を再構築することを科学者に命じました。 この仕事は、チャールズ・ライルをはじめとする地質学の創始者たちが不可能とみなしていたもので、ライルは次のような言葉を残しています。 始まりの痕跡はなく、終わりの見込みもない。 この言葉は、若い地球はその活動によって破壊されてしまったので、再創造は不可能であるという考えを表している。 しかし、1960年代の同位体地質学の発展により、この考え方は時代遅れになった。 アポロ計画や月探査の結果を受けて、地球化学者たちは、地球の進化を理解するために、この技術を応用し始めたのです。 放射性時計の針は同位体（同じ元素で重さが異なる原子）であり、ある同位体が別の同位体に崩壊する速度によって地質学的な時間が測定されます。 多くの時計の中で、ウラン238が鉛206に、ウラン235が鉛207に崩壊するのを利用した時計は特別なもので、この時計は、ウラン238が鉛206に、ウラン235が鉛207に崩壊するのを利用したものである。
ジルコンを探す
大陸の出現はやや遅かった。 プレートテクトニクスの理論によれば、これらの地塊は地殻の中で唯一リサイクルされない部分であり、その結果、マントル内の対流によって駆動される地熱サイクルの間に破壊されてしまうのである。 そのため、大陸の岩石には初期の生命が記録されているため、大陸は一種の記憶といえる。 しかし、プレートテクトニクス、侵食、変成などの地質学的な活動により、古代の岩石はほとんど破壊されてしまった。 それにもかかわらず、ここ数十年の間に、やはり同位体地球化学を利用して、いくつかの重要な発見がなされた。 オックスフォード大学のStephen Moorbathが率いるグループは、西グリーンランドで37億年から38億年前の地層を発見した。 さらに、マサチューセッツ工科大学のサミュエル・A・ボウリングは、北米の小さな地域、つまり39億6000万年前のものと思われるアカスタ片麻岩を探索しました。 ジルコンは大陸の岩石中に存在し、侵食の過程で溶け出すことはなく、粒子状で堆積物の中に沈殿する。 そのため、ジルコンのかけらは何十億年も生き残ることができ、地球のより古い地殻の目撃者となることができるのだ。 古いジルコンの探索は、パリで、後にマルセイユ大学、現在はネメス大学のアニー・ヴィトラックとジョル R. ランスロットの研究、そしてムアバスとオールグレの努力で始まった。 最終的に成功したのは、キャンベラにあるオーストラリア国立大学のウィリアム・コンプストン率いるグループであった。 この研究チームは、オーストラリア西部で41億年から43億年前のジルコンを発見した。 議論の余地のない最古の化石は、オーストラリアと南アフリカで発見されました。 このアオコは、約35億年前のものである。 マインツのマックス・プランク化学研究所のマンフレッド・シドロフスキーは、西グリーンランドのイスア地層を研究し、有機物は38億年も前に存在したと主張した。 しかし、初期の生命の記録は地質学的な活動によってほとんど破壊されてしまったため、生命がいつ出現したかを正確に語ることはできません。 1950年代から研究者たちは、地球の大気は惑星の内部から発生したガスによって作られたと考えてきた。 火山がガスを噴出するのは、地球が継続的にアウトガスを起こしている例であり、そのように呼ばれている。 しかし、この現象は、約44億年前にコアが分化したときに突然起こったのか、それとも長い時間をかけて徐々に起こったのか、科学者たちは疑問を感じていました。 ヘリウム、アルゴン、キセノンなどの希ガスは、化学的に不活性であり、自然界では他の元素と反応しない、という特質を持っている。 その中でも、アルゴンとキセノンは、大気の研究において特に重要な気体である。 アルゴンには3つの同位体があり、そのうちアルゴン40はカリウム40の崩壊により生成される。 キセノンには9つの同位体があり、そのうちキセノン129は2つの異なる起源を持つ。 キセノン129は、地球や太陽系ができる前の核合成の結果生じたもの。 また、地球にはもう存在しない放射性ヨウ素129が崩壊してできたものです。
多くのカップルがそうであるように、アルゴン40とカリウム40、キセノン129とヨウ素129は、ともに物語を持っているのです。 これらは優れた年代測定器です。 大気はマントルのアウトガスによって形成されましたが、カリウム40やヨウ素129は一切含まれていません。 地球で形成され放出されたアルゴン40とキセノン129は、すべて現在の大気中に存在する。 キセノンはマントルから排出され、大気中に保持されていたため、この元素の大気・マントル比から分化の年代を評価することができる。 マントルに閉じ込められたアルゴンとキセノンは、カリウム40とヨウ素129の放射性崩壊により進化した。 したがって、もし地球形成の初期にマントルの全面的なアウトガスが起こったとすれば、大気にはアルゴン40は含まれず、キセノン129が含まれることになる。
こうした崩壊比を測定しようとする研究者にとっての大きな課題は、マントル岩石中の希ガスが極めて限られているので、高濃度のものを得ることである。 幸い、中海嶺では火山溶岩がマントルから地表に珪酸塩を移動させる自然現象が起きています。 マントル鉱物に閉じ込められていた微量のガスは、溶岩と一緒に地表に上がってきて、溶岩の外側のガラス質の縁にある小さなベシクルに濃縮される。 この過程で、マントルガスの量は104〜105分の1に濃縮される。 海底を浚渫してこれらの岩石を集め、高感度質量分析計で真空粉砕すれば、マントル中の同位体の比率を知ることができる。 その結果、非常に驚くべきことがわかった。 その比率を計算すると、地球の最初の100万年間に大気の80～85％が放出され、残りはその後44億年の間にゆっくりと、しかし絶えず放出されたことがわかった。 微量のメタン、アンモニア、二酸化硫黄、塩酸も存在したが、酸素は存在しなかった。 豊富な水の存在を除けば、金星や火星に近い大気であった。 原始大気の進化の詳細については、特に当時の太陽の強さが分からないため、議論されている。 しかし、いくつかの事実は議論の余地がない。 それは、二酸化炭素が重要な役割を担っていたことだ。 さらに、多くの科学者は、進化する大気にはアンモニアやメタンなど、有機物を発生させるのに十分な量のガスが含まれていたと考えている
それでもなお、太陽の問題は未解決のままである。 ある仮説によれば、約45億年前から25億年前までのアーケアン時代には、太陽のパワーは現在の75％にすぎなかったという。 この可能性はジレンマを引き起こす。弱い太陽に付随する比較的寒い気候の中で、生命はどのように生き延びたのだろうか？ 1970年、コーネル大学のカール・セーガンとジョージ・ミューレンが、この「微弱な太陽のパラドックス」に対する解決策を提示した。 二人の科学者は、赤外線を捕捉する効果の高いメタンとアンモニアがかなり豊富に存在していたことを示唆した。 これらのガスが、超温室効果を生み出している可能性があるのだ。 このアイデアは、そのようなガスは反応性が高く、大気中での寿命が短いという理由で批判されました。
1970年代後半、現在スクリップス海洋学研究所のヴィーラバドラン・ラマナサン、ストーニーブルック大学のロバート D. ケス、トビアス・オーウェンは別の解決策を提案しました。 彼らは、超温室効果をもたらすのに十分な量の二酸化炭素が存在したため、初期の大気にはメタンが必要なかったと仮定したのである。 この議論もまた、別の問題を提起した。 初期の大気中にどれくらいの二酸化炭素があったのだろうか？ 地球上の二酸化炭素は、現在では石灰岩などの炭酸塩岩に埋もれているが、いつからそこに閉じ込められたかは不明である。
惑星の急激なアウトガスにより、マントルから大量の水が放出され、海洋と水循環が形成されました。 また、大気中に存在したであろう酸が岩石を侵食し、炭酸塩に富む岩石が形成された。 しかし、このようなメカニズムの相対的な重要性については議論がある。 ハーバード大学のハインリッヒ・D・ホランドは、アルケアン時代に大気中の二酸化炭素の量が急速に減少し、低いレベルに留まったと考えている。
初期の大気の二酸化炭素含有量を理解することは、気候の制御を理解する上で極めて重要である。 この過程がどのように行われるかについては、2つの対立する陣営が考えを示している。 前者は地球の気温と二酸化炭素が無機的な地球化学的フィードバックによって制御されたとし、後者は生物学的除去によって制御されたと主張する。
1981年に当時ミシガン大学アナーバーにいたジェームス C. G. ウォーカー、ジェームズ F. キャスティング、ポール B. ヘイズが無機モデルを提案した。 彼らは、ガスのレベルは新生代の初期に高く、急激に低下することはなかったと仮定した。 3人は、気候が温暖化するにつれて、より多くの水が蒸発し、水循環が活発になって降水量と流出量が増加したと考えた。 大気中の二酸化炭素が雨水と混ざって炭酸の流出を起こし、地表の鉱物が風化にさらされたのである。 すると、大気中の炭素が珪酸塩鉱物に結合し、堆積岩の中に封じ込められた。 大気中の二酸化炭素が少なくなれば、温室効果も少なくなる。 この無機的な負のフィードバックプロセスが、太陽エネルギーの増加を相殺したのです。 ガイア仮説の創始者であるジェームズ・E・ラブロックが提唱した理論では、植物プランクトンなどの光合成を行う微生物は、二酸化炭素の多い環境では非常に生産性が高くなると仮定していた。 植物プランクトンは、大気中や海洋中の二酸化炭素をゆっくりと除去し、炭酸カルシウムの沈殿物に変えていく。 しかし、植物プランクトンは、地球上に生命が誕生してからのほとんどの期間、進化さえしていなかったのだ、と批評家は反論した。 (ガイア仮説では、地球上の生命は温度や地表の組成を調整し、生物にとって快適な環境を保つ能力があるとする)
1990年代初頭、ニューヨーク大学のタイラー・ヴォークとハワード大学のデビッド・W・シュワルツマンは、別のガイア的解決法を提案しました。 彼らは、バクテリアが有機物を分解し、フミン酸を生成することによって、土壌中の二酸化炭素含有量を増加させることに注目しました。 この2つの作用が風化を促進し、大気中の二酸化炭素を除去するのである。 しかし、この点については、論争が深刻になる。 現在ペンシルバニア州立大学のKastingやHollandを含む一部の地球化学者は、新生代以降の二酸化炭素の除去は生命によってある程度説明できるかもしれないが、隔離の大部分は無機地球化学的プロセスによって説明できると仮定しているのである。 これらの研究者は、地質学的な時間の大部分において、生命は気候を安定させるメカニズムとしてはかなり弱いと考えています。 炭素の埋没は、大気中の酸素濃度を高める重要なプロセスの鍵であり、ある種の生命体の発達に必要な条件でもあるのです。 さらに、人間がこの炭素を放出した結果、現在地球温暖化が進んでいる。 10億年、20億年前から、海の藻類は酸素を作り出していた。 しかし、このガスは反応性が高く、また古代の海には還元鉱物（たとえば鉄は酸化されやすい）が多かったため、生物によって作られた酸素の多くは、それと反応するガスに出会うはずの大気に到達する前に単に使い果たされてしまいました。 さらに、海を出れば、紫外線にさらされずに死んでしまう可能性が高い。 カリフォルニア大学サンタバーバラ校のウォーカーやプレストン・クラウドなどの研究者は、約20億年前に、海中の還元鉱物がほとんど酸化された後、初めて大気中の酸素が蓄積されたことを示唆した。 10億年から20億年前の間に酸素は現在のレベルに達し、進化する生命のためのニッチを作り出した。
酸化鉄や酸化ウランなどの特定の鉱物の安定性を調べることによって、ホランドは20億年前以前のアルキアの大気中の酸素濃度が低かったことを明らかにした。 現在の20％という酸素含有量は、光合成活動の結果であるというのが大方の見方である。 それでも問題は、大気中の酸素濃度が時間とともに徐々に増加したのか、それとも突然に増加したのかである。 最近の研究では、酸素の増加は21億年から20億3000万年前に突然始まり、15億年前に現在の状況に達したとされています。
大気中に酸素が存在することは、地表やそれ以上の場所で生きようとする生物にとってもう一つ大きな利点がありました。 紫外線は、DNAや酸素から成層圏のオゾン層破壊に関与しているクロロカーボンまで、多くの分子を分解する。 紫外線のエネルギーは、酸素を非常に不安定な原子状のOに分解し、O2に戻したり、非常に特殊な分子であるO3、すなわちオゾンに結合させたりする。 オゾンは紫外線を吸収する。 オゾンができるほど酸素が豊富になってから、生命は陸地に根を下ろし、足場を築くことができるようになったのです。 原核生物（核を持たない単細胞生物）から真核生物（核を持つ単細胞生物）、メタゾア（多細胞生物）へと生命が急速に進化したのが、酸素とオゾンの10億年の時代であったことは偶然ではありません。 現代の地質学的時間への移行期には、相対的に暖かくなったり冷たくなったりする長い段階があった。 海底に生息していたプランクトンの殻の化石から、海底の水温を知ることができる。 この記録は、過去1億年の間に、海底の水温が15℃近くも低下したことを示唆している。 海水面は何百メートルも下がり、大陸は離れていった。 内海はほとんど消滅し、気候は平均10～15℃冷え込んだ。約2000万年前に南極大陸に永久氷ができたと見られる。 この周期性は、地球が自転軸の傾きの振動を終えるのにかかる時間に相当するため、興味深い。 長い間、軌道の形状が変化すると、冬と夏の間に差し込む太陽光の量が約10%変化すると推測されており、氷河期の開始や終了に関与している可能性があると、最近計算されました。 最後の大きな氷河期は約1万年前に終了している。 2万年前の最盛期には、厚さ2kmほどの氷床が北ヨーロッパと北アメリカの大部分を覆っていた。 氷河は、世界中の高原や山々に広がっていた。 海面が現在より100m以上低くなるほどの氷が陸上に閉じ込められた。 大規模な氷床が大地を削り、地球の生態系を一新し、現在より平均気温が何度も低くなりました。
暖かい時期と寒い時期の間の長い間隔の正確な原因は、まだ解明されていません。 メキシコのエル・チチョンやフィリピンのピナツボ山が示したように、火山噴火が重要な役割を果たしたかもしれない。 また、ヒマラヤ山脈の形成などの地殻変動が、世界の気候に影響を与えた可能性もある。 彗星の影響も、短期的な気候変動に影響を与え、生命に壊滅的な影響を与える可能性がある。 過去30年間で、最も重要な気候の発見のひとつは、グリーンランドと南極大陸の氷床コアから得られたものである。 これらの凍てついた大陸に雪が降ると、雪の粒の間の空気が気泡として閉じ込められます。 雪は徐々に圧縮され、気体とともに氷になる。 科学者は、地表から3,600メートルの深さにある氷の一部から、氷と泡の化学成分を分析できます。
氷床コア探査機は、古代エジプト人やアナサジ・インディアンが吸った空気が、過去100年から200年の間に持ち込まれた多くの大気汚染物質を除いて、今日私たちが吸い込んでいるものと非常に似ていると突き止めたのです。 この100〜200年の間に加わった大気汚染物質の主なものは、二酸化炭素とメタンである。 産業革命の拡大期である1860年頃から、工業化と森林伐採によって大気中の二酸化炭素濃度は30％以上、農業、土地利用、エネルギー生産によってメタン濃度は2倍以上に増加した。 これらのガスの量が増えて熱を閉じ込める能力が、21世紀の気候変動に関する懸念を後押ししています。
氷床コアは、世界の気温変化の持続的な自然速度が、通常1000年に1度程度であることを示しました。 この変化は、種の生息地を根本的に変え、マンモスや剣歯虎のようなカリスマ的な巨大動物の絶滅に貢献した可能性があるほど重大なものです。 しかし、氷床コアから得られた最も驚くべき物語は、過去1万年間の気候が比較的安定していたということではありません。 2万年前の最後の氷河期の最盛期には、我々の時代である完新世に比べて、大気中の二酸化炭素は50％少なく、メタンの量は半分以下であったようだ。 この知見は、二酸化炭素、メタン、気候変動の間に正のフィードバックがあることを示唆している。
この不安定化フィードバックシステムの考えを支持する理由は、次のようなものである。 世界が寒かったときは、温室効果ガスの濃度が低かったので、熱の閉じ込め方も少なかった。 地球が温暖化すると、二酸化炭素とメタンの濃度が上昇し、温暖化が加速された。 もし、生命がこの物語に関与しているとすれば、それは気候変動に反対するのではなく、むしろ促進するものであったろう。 しかし、人間がこのサイクルに加わったことで、温暖化を加速させた可能性がますます高まっている。 特に1800年代半ば以降、工業化や土地利用の変化などによる温室効果ガスの排出によって、温暖化が顕著になった。 とはいえ、生命が気候変動と温室効果ガスとの間の正のフィードバックにおける主要な要因であることは、ほとんどの科学者が認めるところであろう。 20世紀末には、地球の平均気温が急速に上昇した。 実際、1980年代以降の期間は、過去2,000年のうちで最も気温が高かった。 最も気温の高かった20年のうち19年は1980年以降、最も気温の高かった12年はすべて1990年以降に発生している。 過去最高を記録したのは1998年で、2位は2002年、3位は2003年である。 ピナトゥボ火山の噴火がなければ、1990年代の10年間はもっと暑かっただろうと考える十分な理由があります。この火山は高層大気中に十分な塵を降らせ、入射する太陽光の一部を遮り、数年間にわたり10分の数度の地球規模の冷却を引き起こしました
過去140年間の温暖化は自然に起こったのでしょうか？
右のボックスは、北半球の気温記録を1,000年前に戻そうとした驚くべき研究を示しています。 バージニア大学の気候学者マイケル・マンと彼の同僚は、木の年輪、山岳氷河の範囲、サンゴ礁の変化、太陽黒点活動、火山活動など、気温に関連する112もの異なる要素を含む複雑な統計分析を行いました。 (信頼性の範囲に示されているように、この1,000年の気温再現の各年にはかなりの不確実性があります。 しかし、全体的な傾向は明らかである。最初の900年間は緩やかに気温が下がり、その後20世紀に入ってから急激に気温が上昇したのである。 このグラフは、1990年代の10年間が今世紀だけでなく、過去1000年全体で最も温暖だったことを示唆しています。
アルケアン期の高二酸化炭素、低酸素の大気から約5億年前の大きな進化の時代への変化を調べることにより、生命が気候を安定させる要因であったかもしれないということが明らかになりました。 また、氷河期や間氷期には、生命は逆に変化を抑制するどころか、加速させる働きをしたようだ。 この観察から、私たちの一人（シュナイダー）は、生命が気候に対する負のフィードバックとしてのみ機能するのではなく、気候と生命が共進化したと主張しています。 人口増加、生活水準の向上に対する要求、こうした成長志向の目標を達成するための技術や組織の利用といった現在のトレンドは、すべて公害を引き起こす要因となっている。
Drastic changes ahead
IN THEIR REPORT Climate Change 2001, the Intergovernmental Panel on Climate Change の気候専門家は、2100 年までに世界が 1.4～5.8 度温暖化すると推定しています。 100年に1.4度という温暖化率は、これまでの地球規模での自然変化の平均値である1000年に1度というスピードの14倍である。 もし、この範囲の上限が発生すれば、自然の平均状態の60倍近い速さで気候が変化することになり、多くの人が危険だと考えるような変化を引き起こす可能性がある。 このような速度の変化は、1万年から1万5千年前の氷河期と間氷期の推移と同じように、多くの種に生息域の移動を強いることはほぼ間違いないだろう。 種は14倍から60倍の速さで気候の変化に対応しなければならないだけでなく、氷河期の終わりと間氷期の始まりの時のように、邪魔されないオープンな移動ルートを持つ種はほとんどいないであろう。 地球上の生態系の運命を理解するために必要な、将来の気候変動の重要な予測を行うには、陸、海、氷を掘り、地質学的、古気候学的、古生態学的記録からできる限り多くを学ぶ必要があります。 これらの記録は、私たちによってますます影響されるようになる環境の影に満ちた未来を覗き見るために使用する粗い機器を校正するための背景となるものである。
THE AUTHORS
CLAUDE J. ALLGRE and STEPHEN H. H. SCHNEIDERは、地球の地質学的歴史と気候のさまざまな側面を研究している。 オールグレはパリ大学教授で、パリ地球物理学研究所の地球化学部門を率いている。 米国科学アカデミーの外国人会員である。 シュナイダー：スタンフォード大学生物科学部教授、環境科学・政策センター共同ディレクター。 1992年にマッカーサー賞フェローシップを受賞し、2002年に米国科学アカデミーの会員に選出された
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