不機嫌な太陽 ―気候変動のもう一つのシナリオ― No.4
§5.地球の歴史と宇宙線
そして全球凍結などの寒冷期の生物の進化の解明へ。生命の誕生のもう一つの説の登場と、生物の進化の条件は寒冷化であった。(ここからは難しいところは、飛ばし読みして下さい。省略した個所は、主に学術的に説明しているところです。)
6章 スターバースト、熱帯の氷、生命が進化するという幸運
地球全体が氷で覆われた全球凍結が数回あったことは、地質学者を驚かせた。その全球凍結が起こったのは、天の川銀河で星の「生成率」が最も高くなった時で、その時以外は起こっていない。その星のベビーブーム期には、宇宙線が強くなった。若い太陽の強い磁気作用が、地球を守って暖かくし、生物の出現を早めた。全球凍結期には、生物圏の生産性が高い時の繁栄と低い時の衰退の間で大きく振れた。
1節 全球凍結
氷に覆われた星
地球外生物の発見を夢見る人にとっては、昔は火星だったが、今は木星の衛星の一つのエウロパである。エウロパは氷で完全に覆われていて、その下には液体の海洋(と生命体)が隠れていると考えられている。
全球凍結の証拠
1960年代にケンブリッジ大学のハーランドは、約6億年前の堆積物中に、氷河作用の痕跡が、あたかも当時は世界全体が氷で覆われていたかのように、地球の広範囲に広がっていたことに気がついたのである。大陸がどこに横たわっていたかは、岩石に残された地磁気の記録からもたらされている。 1986年オーストラリアのウイリアムスらは、古代に氷から海中に落とされた酸化鉄粒子による地磁気の痕跡から、それらの落とされた場所が赤道から数度以内の領域であったことを突き止めた。その数年後、カリフォルニア工科大学のカーシュヴィンクは、その鉄粒子を伴っていた他の岩石が、7億年前と正確に判っている氷河の作用により、オーストラリアで形成されたものであることを確認した。彼は「これらの広範囲にわたって存在する海水面からの沈殿物が、赤道から数度以内に広範囲に広がって存在する大陸の氷河によって形成されたことは、現在では明らかである。これらのデータは、赤道付近に広大に広がった氷河が存在していたとしなければ説明がつかない」とした。カーシュヴィンクはこの状態に対して「全球凍結」という名前をつけた。そこからは赤道付近でも氷床、氷河や凍結した海が存在したことになるが、赤道近辺の海の凍結度については、完全な凍結か、氷山が流れる半凍結かは、まだ議論の対象である。
全球凍結が起こった時期
全世界の大陸から得られた証拠は、7億5000万年から5億8000万年の間に、全球凍結がほぼ3回起こったことを示している。その間、虫類は海底の岩屑をあさることにより生き延び、体制(body-plans)を進化させた。それで5億4200年前に始まったカンブリア紀に入って世界が再び暖かくなった時に、動物種の爆発的発生が可能になった。凍結と生物進化を伴ったこのような急進的な出来事が起こったのは、この時の原生代後期だけではなく、原生代前期の24億年前と22億年前の間に、２回の全球凍結期が存在したことを示す証拠が、20世紀末までに、南アフリカ、カナダ、フィンランドから地質学者によって収集された。
全球凍結時の地質と生物の変化
世界最大の鉄マンガン鉱床は、原生代前期が残したもので、海水中に溶解していた鉄とマンガンが、酸素が作用して生成されたものである。地球がさび付いたのである。バクテリアの多くは一層されたが、真核生物は生き延びた。この新しい生物は、遺伝子をカプセル化した細胞核を有することを特徴とし、単細胞の菌類、藻類、および動物に似た草食性生物であった。18億年前までに、一部の真核生物は、酸素を処理するバクテリアを体内に取り込み、それをエネルギー(ＡＴＰ)の発生装置として利用した。現在では、すべての植物と動物の細胞内に見いだされる。この寄生性のバクテリアの子孫は、人間の体内にミトコンドリアとして存在している。性別が分かれる前にこのバクテリアの取り込みが行なわれたので、現代人はそれを母親のみから受け継いでいる。
全球凍結を起こした原因
全球凍結を起こした原因と結果について論争が起きた。 しかし、地球の長い歴史の中で、ほぼ23億年前と7億年前における比較的短い2つの「時間の窓」ともいうべき特定の時期に起こった理由を明らかにすることである。またこの2つの出来事同士の間では、10億年以上もの間、氷が全く無かった理由も説明できるものでなければならない。 シャバイブは、過去5億年間における温室期と氷室期の気候変動を、天の川銀河の渦状腕への運行により説明した。そこから、星のベビーブーム期には、宇宙線が途方もない高いレベルにまで増加したので、地球は雲が多くなり、太陽光が遮られて全面凍結したと説明したのである。
2節 星のベビーブーム
スターバースト
地質学者は全球凍結の証拠に驚き、それに対して天文学者は予想よりずっと温かい銀河が多数存在することに驚いていた。
1983年に、オランダ・アメリカ・イギリスの赤外線天文衛星が、これらの銀河が強い非可視光線を発していることを検出した。1998年に欧州の赤外線天文衛星が、極めて強い赤外線を発する数百個の天体の調査を終了し、ドイツのマックス・プランク地球外物理学研究所のゲンツェルは、天文学者たちの結論を発表した。「極めて強い赤外線を発する大多数の銀河の光度は、その大部分が星の誕生に由来していることを立証する。このような活発な星の誕生が、どのようにして、どれだけ長い期間これらの銀河で起こりうるのかは、課題である。」 これらの活発な活動をしている銀河は、現在、スターバースト銀河と呼ばれている。強い赤外線は、大質量で短命の星が、多数爆発することにより生じた温かい宇宙塵に由来している。スターバーストは、その大部分が銀河同士の衝突によって起こっている。
2つの銀河が衝突しても、各々の銀河に含まれる星が数十億個と多い場合でも、星間の空間は広いので、２つの星同士が直接衝突することは少ない。それよりも銀河によって運ばれてくるガス同士が高速で衝突して衝撃波を生じるので、ガスが圧縮されてそのガスの崩壊が誘発され、新しい星たちが誕生する。天の川銀河では、それよりも穏やかに作用して、明るい渦状腕を生み出しており、1年に２つ程度の新しい星を誕生させている。スターバーストでは、星の生成率がそれより50～100倍高いこともありうる。
クラスター内での銀河同士の衝突
大部分の銀河は、大きなクラスター内で複数の銀河が共に動き回っているが、我々は宇宙という空間内のある瞬間しか見ることができない。それはその運動のステップを1つ刻むのに、数億年要するからである。この運動を決めるのは重力であり、この重力は、銀河を作っている星たちとブラックホールの各質量同士が相互に引き合うものだけでなく、クラスター同士を結び付ける未解明の暗黒物質の大きな重力も含んでいる。(以下、クラスター内の銀河同士の衝突は略。)
局所銀河群での近接遭遇
天の川銀河は幸運であった。約500万光年以内の近くには、大部分は非常に小さい「局所銀河群」と呼ばれる30個以上の銀河が見える。近くの銀河としては、大マゼラン星雲と小マゼラン星雲とアンドロメダ星雲の3つの銀河だけが肉眼でも見える。(以下略。) 星の生成を誘発するには2つの銀河が衝突するだけでなく、2つの銀河が近接遭遇した時にも、双方の銀河で、重力により潮汐と圧力波が誘発されて、星のつまった領域がかき乱され、スターバーストを誘発されると考えられる。(以下略。)
天の川銀河での星のベビーブーム年代
多くの星の距離は、1997年に欧州の人工衛星「ヒッパルコス」の測定データが公開され、以前より正確に判るようになった。―途中省略―。 さらに2015年に打ち上げられたガイアのデータが待たれている。その結果を待つ間の 不確かな状態でも、約23億年前に起こった最初の2回の全球凍結と、ロシャーピントーが24億年から20億年前の間に起こったと推定したスターバーストとは、時期が一致していることは明らかである。この2つの出来事は、地球がさらされた異常に高い宇宙線に結びついていたと考えることができる。 20億年から10億年前までの長い期間に、氷河作用が起こったことは判っていない。その期間は星の生成率が著しく低い時期と一致している。 ほぼ7億5000万年前に始まった後の3回の全球凍結は、また別の星のベビーブームに結び付いていなければならない。 2004年にマドリッドのサフォーク大学のマルコスたちは、天文学者たちによって「散開星団」と呼ばれている星のグループのデータを使って、約7億5000年前にスターバーストが存在したと推論し、その時期が一致していることを指摘した。
3節 若い太陽は暗かったのに温暖だった矛盾
若い太陽の活発な磁気活動
太古においては、宇宙線を遮蔽する太陽の磁気は、現在よりずっと強かった。そうでなかったら、7億5000万年前のスターバーストの時に地球に侵入してきた宇宙線の流入量は、仮に今の時代に同じスターバーストが起こったとした時の宇宙線の流入量よりも、数％少なかったはずで、それは当時の太陽風は今より強かったからである。それで24億年前には、宇宙線の流入量を20％削減できるほど、太陽の遮蔽層は強かったのである。 さらに時代をさかのぼると、太陽は現在のものとは非常に異なっていた。太陽が、約46億年前に、ほこりっぽいガス星雲の中から、その家族である惑星と一緒に初めて誕生した時には、少なくとも現在よりも10倍の速度で自転していた。その磁気活動は活発で、太陽風の密度もはるかに高かった。その結果、宇宙線は生まれたばかりの地球の近くに全く接近できなかった。
太古における暖かい気候
若い太陽は、現在よりも温度が低く、放出する太陽光の量がかなり少なかったから、気候の為には幸いした。太陽の中心の熱い場所における核反応が、ヘリウムを生じ、それが膨張中の中心部を満たすので、数十億年かけて徐々にしか明るくならなかった。太陽は、その初めの頃は、現在の太陽光の70％しか放射していなかった。
初期の地球の地殻は、衝突してくる彗星や小惑星の激しい衝撃により、完全に破壊されると共に、衝突した星を構成する原材料の残骸により、繰り返し再生された。この時代は「冥王代」と呼ばれ、38億年前までの8億年間続いた。地球の非常に若い時代のものとしては、ほんの少量の鉱物粒子しか残っていない。代表的なものが、オーストラリアで見つけられたジルコンである。この破片が44億年前のものであることが、2001年に確認された。ジルコンは通常花崗岩を伴うが、花崗岩の形成には水が必要である。またこのジルコン中には、重い酸素原子の比率が高いことが、それが形成された時に液体状の水が存在した直接的な証拠でもある。 38億年前に始まる「始生代」に形成された岩石は、はるかに多く残っている。その時までに太陽光は現在の75％までに増加していた。 「原生代」の始まりの25億年前でも、太陽光はまだ83％と低く、世界平均気温は－5℃しか期待できない。
地球が暖かかった理由は?
1972年にアメリカのセ―ガンらが「太陽が若い時は光が弱かったのに地球が温暖だった矛盾」に注目した。しかし、なかなか答えは出なかった。
宇宙線の減少による温暖化
太陽が若かった時に、光が弱かったにもかかわらず、地上には液体状の水が存在していたことだけははっきりしている。 この矛盾に対する唯一の回答は、宇宙線と雲である。すなわち、太陽の若い時は、磁気活動が活発だったために、低い大気層の下まで届く宇宙線が非常に少なくなり、そのため地球を冷やす低い下層雲が極めて少なくなって温暖化したのである。 イスラエルのニール・シャヴァイブはこの説を2003年にまとめた。「太陽の標準的モデルでは、太陽の光度は、過去45億年のあいだに徐々に、約30％の増加をしたと予測している。光の弱い太陽の下では、地球に存在する水の大部分が凍結したはずである。しかし、地球の歴史の極めて初期の段階から、流動する水が存在していたことが観察されている。・・・今回の謎は、宇宙線が地球に到達するのを、より効果的に阻止できるほど、若い太陽が非常に強い太陽風を送り出していたに違いないと考えると解くことができる」。
４節 炭素原子が示す生物生産性の拡大期と縮小期
38億年前に生物と生物圏が存在した証拠
グリーンランドの西海岸のゴッドホープ(自治州の首都ヌークの別名)の近くで、氷床と海の間に露出していて見つかった厚い粘土層の遺構の中に、38億年前の古い岩石の中に見いだされた炭素の黒い斑点は、地球上に棲息した生物群の痕跡であった。粘土の中には、黒鉛(炭素のみで形成された鉱物)の微細な小球が極めて大量に存在していた。それは地球が若かった頃に、バクテリアが水中で繁栄していた名残りと考えられる。 コペンハーゲンの地質博物館のロージングは、この小球が、生物の主要構成元素である炭素の各種の同位元素に対して、生物の選択性を示していたことを見つけた。
海面のプランクトンであるバクテリアや藻類は、水中に溶けている二酸化炭素を取り入れる時に、普通の12Ｃの原子を含んだ分子の方を好んで受け入れている。重たい13Ｃは一般の二酸化炭素の分子の90個に1個の割合で存在するが、その分子を拒絶することが多い。その結果、生物の体内における13Ｃの比率は、自然界の標準的な比率よりも低いのである。ロージングが採取した黒い小球は、ちょうどそのように13Ｃが排除されているので、かっての生物由来と考えて、「黒鉛の小球を形成した原始生物体の堆積物は、海面からほぼ連続的に沈降したプランクトン様生物に由来したものであろう」と1999年に発表した。
更に彼は仲間のフライと2004年までに、放射性重元素の崩壊により生じた原子量の異なる鉛の同位元素の分析値から得られた手がかりから、水が明らかに遊離の酸素を含んでいることを示した。その鉛の各種同位元素の比率は、38億年前の海水中にウラニウムは存在していたが、トリウムは存在していなかったことを示したのである。(ウラニウムとトリウムは酸素が存在しない時には、固く結びついているが、酸素が存在するとウラニウムだけが水溶性になるのである)。
このことは高度の能力を持ったバクテリアが、すでに存在していたことを示した。38億年前にバクテリアの一部は、光合成を用いて、日光のエネルギーを使って水分子を水素と酸素に分離していた。水素は、生きている細胞を動かし構築するのに必要な炭素化合物に組み込まれる。酸素は環境中に排出される それまでは、生命の誕生は、海底の噴火口の周辺に見られるように、初期の生物も太陽光ではなく、地球内部のエネルギーに寄っていたと推測されていた。
しかし、生物に関して、グリーンランドから得られた実態は、生物圏と言える本格的な大規模な生物系からなっていたのである。このことはロージングが言うように、37億年以前に、機能する生物圏を持っていたのである。 若い太陽は、光量が少なかったにも関わらず、その光は、生物系に大量のエネルギーを供給していたのである。そのことは、同じグリーンランドに大陸の花崗岩の最初の兆候が見出されていたことも偶然ではない。
生物圏の生産性を示す13Ｃの比率
そうすると今度は、宇宙線と生物の盛衰との間の繋がりを見出した。 13Ｃ(炭素Ｃの同位体)の原子は、生物が成長する時に広がるので、生物の繁栄と衰退の歴史が地質年代を調べている者には、説明できる。 グリーンランドの小球は、13Ｃの排除特性を示した。それは周囲の水から13Ｃの二酸化炭素を取り入れて成長する微細な海洋植物、バクテリア、および藻類の特徴である。この生物たちが豊富な時には、水は、そこから排除された13Ｃを著しく含むことになる。この13Ｃは、その時の二酸化炭素から作られた石灰岩に保存されている。貝殻を作る時には、12Ｃにこだわらずに13Ｃも取り込むからである。石灰岩の13Ｃの比率は、水中に残っている比率に従っているので、海中生物の活発さの盛衰を示している。 地球物理学者たちは、炭酸塩の堆積物中の重い酸素18Ｏと一緒に、13Ｃも一緒に、半世紀前から分析していた。18Ｏは過去の温度を探る為にしていた。だが13Ｃは、地球上の生物全体の状態が、過去にどのように変化したかを示すことに気がついた。
寒冷期に生物の生産性が高い理由
13Ｃが頂点に達した時から判ったことは、過去5億年の間に、生物の生産性が最も高かったのは、石炭紀の後半の3億2000万年から3億年前の間であった。それは地球が天の川銀河の定規腕を通過した結果、宇宙線が強く、巨大な氷床が南方の諸大陸を覆った時である。
どうして生物は、そのような寒冷期に繁栄したのであろうか。 その理由は、今の地球が氷室期にあるのと同じ理由ではないだろうか。
人工衛星から見ると、地球の気候様式を見ることができる。温かい熱帯と凍結している極地との間で、温度の違いから、強い風と激しい海流が生じている。海面における生産性は、海面に含まれるクロロフィルの豊富さで測定することで判るが、1㎢当たりの生物体量は、亜熱帯では非常に少ないが、中緯度や亜寒帯の海では、表面の水にリンのような不可欠の栄養素がより多量に補給されるのでずっと多い、と人工衛星は観測している。地球歴史の中で穏やかな時代は、栄養素が欠乏する領域が広がるので、生物は中程度の繁栄に限定される。
極寒を含む期間の生物の生産性
23億年前と7億年前に起こった全球凍結を含む期間には、時々炭酸塩中の13Ｃが極端に低いレベルに落ちていることがあるが、それは光合成が停止し、死んだ生物が12Ｃを環境中に戻したからである。しかし、その13Ｃが大きく低下した期間中に、生物生産性の爆発的上昇が散発的に起きている。極端な凍結の期間中に、いくらか緩和した時には、海中の生物は急激に生産性を回復するからである。解き放たれた栄養素に加えて、生物体中に組み込むのに利用できる二酸化炭素が、異常に高いレベルに上昇していたことが、全球凍結の合間に生物の成長を促進した可能性がある。
炭素原子が語る生物のドラマから、スベンスマルクは、数十億年間にわたる生物群の盛衰に関して、「海洋生物の生産性が低い時の食糧不足と、高い時の豊作との振れが、小さいか大きいかは、天の川銀河内の地球の周辺の星の状況により決定される」ことが分かったのである。
5節 生物の変動性と宇宙線強度
概説 13Ｃの値が絶えず変動するのは、地質、気候および生物との間の関係が、本来変わりやすく、地球の歴史の１つの相(phase)から別の相に移ると、13Ｃの変動の激しさが変化するのである。それには何か別の要因に基づいている部分が存在するのである。
13Ｃのバラツキの変化
2005年にスベンスマルクは、13Ｃのバラツキが、18Ｏで測定された海水温度のバラツキと、密接に結びついていることに気がついた。過去5億年の間では、生物の生産性が頻繫に大きく変動する時期は、気候の頻繫な変動を伴っていた。この生物圏の生産性のバラツキは、時々はるかに大きくなっていることに気がついた。そのバラツキが24億～20億年前に頂点に達していた。その時期は、最初の全球凍結期の頃で、天の川銀河においてスターバーストが起こったために、宇宙線が最も強くなった時であった。スベンスマルクは、36億年間を4億年ごとに分割して、各区間ごとに、13Ｃのバラツキと宇宙線強度の計算値を求めて変化を比較して、その両者が信じられない程よく一致し、相関係数は92％であった。
宇宙線強度が高い時には、かなり温暖な時とかなり寒冷な時との間で、気候がより大きく振れることを意味している。それは太陽と地球が、この天の川銀河の渦状腕の中に入った時に、腕本態の時と腕内部の裂け目の時との差異が、はるかに大きくなるからである。
4億年ごとの生物生産性のバラツキ
およそ34億年前には、若い太陽の磁気作用が宇宙線の侵入を退け、低いレベルに抑えられていたので、(13Ｃにより示された)生物の生産性のバラツキは比較的小さかった。 32億～28億年前の間では、星の生成率は今日と同じくらいで、海洋での生物の生産性のバラツキも同じくらいだった。これはなぜだろうか。当時はバクテリアしかいなかったが、現在は、人間を中心とする生物群がいて、魚と鯨を頂点とする食物連鎖が支えている。当時のバクテリア群と現代の生態系では、成長の為に必要とする二酸化炭素を固定化する平均速度からのずれで判断すると、気候変動への総合的な対応性は、ほとんど変わっていないのである。
ほぼ28億年前に、宇宙線強度は高いレベルに上昇し、気候のバラツキと生物生産性のバラツキは大きくなった。
24億～20億年前には、最初の2回の全球凍結をもたらしたスターバーストのピーク時であり、宇宙線はさらに強くなり、そして(13Ｃは)つまり生物の生産性のバラツキも大きくなった。
20億～12億年前には、宇宙線の強度は非常に低くなり、生物圏の生産性のバラツキも非常に小さくなった。
12億～8億年前には宇宙線は増加し、生物圏の生産性のバラツキは復活した。この時期に多細胞の真核生物が誕生した。進化の「ビッグバン」の時代であった。
その直後の7.5億年前には、星のべビーブームとなり宇宙線の強度は著しく上昇し、3回の全球凍結期に入った。
8億～4億年前には、生物圏の生産性のバラツキは比較的高かったが、その時から後は低下した。 4億年前以降には、30億年前の状態に戻った。
疑問点
13Ｃのデータを、天文学から解釈して、地球の生物圏の歴史が語られたが、その単純性が不思議であり、議論の余地がある。例えば、13Ｃのレベルは、生物の成長により完全に決定されるものではない。生物体が海底中に埋め込まれる率が高い時と、生物の死体が海水中に溶け出してしまう方が多い時とでは、13Ｃの率は変わるし、大気中の二酸化炭素も関係する。
生物に革新的進化をもたらす条件
しかし、宇宙線の変化に対応した生物圏の生産性のバラツキが、生物の歴史の扉を開くことになると考えられる。最後の全球凍結期における気候のぶれの後に、動物が出現してきたことは、単なる寒冷化ということではなく、寒冷化と温暖化の間で大きくバラツいた気候が、生物の進化のきっかけになったのかも知れない。
他方、バラツキの少ない気候条件では、多くの場合、急進的ではないが、ちみつな洗練化が起こり、その時の気候によく適合するように、色どり豊富な多様性に富んだ種が生みだされている。高度に適合した生物は、その後の気候変動では死滅しやすいのである。星の生成率と太陽の磁気活動という物理的な要因が、宇宙線に影響を及ぼすことによって、地球の気候や生物の生存条件を支配していることが明らかになった。それより因果関係は不明確で微妙であるが、今では、より寒冷な気候条件により、生物の生産性がより大きくぶれるようにも見える。13Ｃと宇宙線について見出だしたことについて、スベンスマルクは、「もしも、この結びつきが確認されたら、地球上の生物の進化は、天の川銀河の進化に深く結びついていることになる」と言う。これは生物学者に検討材料を与えることになろう。
