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大酸化イベント

地球史における最大のトランジッションは、「大酸化イベント」だといっていい。これは24億年ほど前に起きた大気中の酸素の急激な増大である。いや増大というレベルではないかもしれない。なにせこれ以前にはほぼゼロだった酸素が、これ以降には大気に溢れるようになったのだから。つまり、これは大気のトランジッション（大転換）ともいえる。

しかし、話はそれにとどまらない。大気中に満ちた酸素は、地球上の物質循環を根本的に変える。たとえば、これ以前に海に溶けていた大量の鉄イオンは、酸化して鉄さび（酸化物）となり、海底に沈殿して海から取り除かれる。ニッケル、マンガン、銅なども同様である。これ以降、海はこれらに乏しい海になる。一方で、モリブデン、亜鉛、バナジウムなどの金属イオンは、鉄などとは真逆の性質をもつ。つまり、酸素がないと鉱物になってしまうが、酸素があると途端に水に溶ける。その結果、モリブデン、亜鉛などは、大酸化イベント以降、逆に海に豊富に存在するようになる。

この大気と海のトランジッションがなにをもたらすのか。それは、生命のトランジッションである。酸素は生命にとって猛毒といっていい。この酸素を体内で無毒化できる仕組みをもたない、それまで繁栄した大多数の生命たちは、酸素のとどかないはるか海底の地下にその住処を移さざるをえない。太陽のあたる地表付近から、そのような生命は一掃される。

元素と生命

生息位置に加えて、生化学も影響をうける。全ての生命がもつ酵素は、生体内で起きるありとあらゆる生化学反応を触媒する。極端な言い方をすれば、酵素なしで生命は一瞬たりとも生きることはできない。この酵素であるが、その構造の中心に金属イオンをもつ。大酸化イベント以前に我が物顔で地球にはびこっていた生命は、海に豊富な鉄、ニッケル、銅などを取り込み、酵素の中心に据えていた。大酸化イベント後の海では鉄、ニッケルなどが枯渇することにより、これら生命は当然のごとく、数を大幅に縮小し、細々としか生きていけなくなる。

一方で、モリブデン、亜鉛、バナジウムなどを酵素の中心に使う生命もいた。大酸化イベント以前、これら生命は小さなニッチを埋めていたにすぎない。いわば、取るに足らない存在であった。しかしながら、大酸化イベントに伴って、一躍地球の生態系の中心に躍り出た。この取るに足らない種だったものが、つまり、僕らの遠い祖先である。

ついで、僕らの祖先たちは、大気中の猛毒である酸素に対抗する必要があった。満ちてくる酸素のなかで、放っておいては生きていけない。そこで、酸素を無毒化するだけでなく、それをうまく活用して多くのエネルギーを得る奇跡的な能力を獲得した小さな生命と手を取り合い、一緒に1つの大きな生命となって生きていくことにした。巨大で複雑な細胞をもつ真核生物が生まれた。

24億年前に起きた大酸化イベントと同様規模の酸素の上昇は、7億年前にも起きた。どちらも地質的に短時間の急激といっていいトランジッションである。2度目のトランジッション、つまり7億年前の酸素上昇以降、真核生物は多細胞化を成し遂げて動物となり、やがてカンブリア大爆発と呼ばれる多様な生物種を生み出していく。

地球史におけるトランジッションの前後を見れば、大気の組成、海や大地の色も、そこに棲む生命や生態系さえまるで違う。トランジッション前に地球を飛び出した生命が、後に帰還したとしても、これが同じ地球とは気が付かないであろう。

大酸化イベントの引き金

今から15年ほど前のことである。僕は、アメリカ、カナダ、フィンランドと24億年前という昔に、海の底だった地層を求めて世界中を旅していた。大学院では惑星の研究をしていたが、卒業後、流れ着くように地球の地質の研究をしていたことは前のコラムに書いた（参照：第62回「若者たちと学問のひろがり」）。

一日何時間もカナダの森林を車で走り、森の中に分け入る。時にアライグマ、ビーバーにも出会いつつ、ハンマーを振って当時海底だった泥や砂の岩石を砕く。大型のリュックは採取した岩石のサンプルですぐに一杯になる。

何をしていたのかといえば、この24億年前の大酸化イベントを引き起こした原因を追い求めていたのである。大酸化イベントは、何の前触れもなく起きたのか、それとも何か引き金になったのだろうか。

そうした中で徐々に明らかになってきたのは、大酸化イベントを引き起こしたのが、極端な気候変動だということである。気候のトランジッション（大転換）といっていい。当時、地球は繰り返し、大規模な氷河時代を迎えていた。特に、全球凍結とも呼ばれる、地球全体が残らず凍りつくような極端な凍結期もあった。

氷河時代の終わりには、氷河が融け、大陸の岩盤を砕きながら海になだれ込む。氷河の底には、大陸の岩石の一部がとらえられ、それが海に運ばれる。氷河の融解に伴い、氷河の底にとらわれた大陸の石は海の中に落ちる。こうしてできたのがドロップストーンである。僕らは、ドロップストーンの残る全球凍結から脱出した時代の地層を丹念に調べ、その時期に酸素が急激に増加し始めていることを明らかにした。

大気トランジッションのからくり

では、全球凍結と大酸化イベントはどうつながるのであろう。このからくりを解いたのは、当時東京大学の学生で、現在は海洋研究開発機構の原田真理子さんである。彼女は、コンピュータのなかに当時の全球凍結下にある地球を作り出し、それが温暖な状態に復活する過程を再現した。現在彼女は、遺伝子から20億年前の光合成細菌の祖先の生態を調べており、幅広い研究を展開している。

さて、彼女が導いた結果はこうである。全球凍結状態では、大気中に二酸化炭素が大量に溜まる。火山などで二酸化炭素が供給される一方で、氷で蓋をされた凍結した海洋に溶けて除去されなくなるからである。全球凍結が終わる時には、この大量の二酸化炭素による温室効果で地球は超温暖状態になる。その超温暖状態で光合成生物の大繁殖が起き、大量の酸素が大気に与えられるというものである。つまり、気候のトランジッションが大気のトランジッションを引き起こし、これが海、さらに生物とトランジッションのカスケード（連鎖）を誘発していくのである。

全球凍結は20億年前以外にも、7億年前にも起きたといわれており、この点、地球の気候はやはり大気や生命の進化に深く関与しているといえるだろう。地球においては、この全球凍結の回数やタイミングが、生命進化のそれらを決めてきたようである。

仮に全球凍結が起きなかったら、地球生命は未だに原始的な単細胞の生命であったと想像できなくもない。さらに今後の地球で、再び全球凍結が起き、第3のトランジションと生命進化を引き起こすとも限らない。一度、全球凍結が起きると1000万年程度は凍結状態から抜け出ることができず、その期間は、地球はまるで今とは別の惑星にみえるだろう。

冒頭の宇宙飛行士は、そのような未来の全球凍結時の地球に帰還したのであろうか。それを不幸とみるかどうか。全球凍結の地球など、世界中の地球科学者が観察したくてもできない対象に出会っているともいえる。もし、宇宙飛行士が僕のような地球科学者であれば、不幸どころか、十分におつりがでたと答えるところである。