地球の歴史②冥王代と太古代

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地球の歴史

冥王代と太古代

地球の歴史の中で、最初の累代である冥王代は地球の形成から始まり、その後、38億年前の太古代に続いている。地球上で発見された最古の岩石は約40億年前、岩石に含まれる最古の砕屑性ジルコン結晶は約44億年前と、地殻や地球そのものが形成されて間もない時期のものであることがわかっている。月の形成についてのジャイアント・インパクト仮説は、原始地球が最初の地殻を形成した直後に、より小さな原始惑星に衝突し、マントルと地殻の一部が宇宙空間に放出されて月が誕生したというものである。

※　他の天体のクレーターの数から、後期重爆撃と呼ばれる隕石の激しい衝突の時期が、冥王代末期の41億年前頃から38億年前頃まで続いたことが推測されている。また、大きな熱流と地温勾配のために火山活動が激しかった。しかし、44億年前の年代の砕屑性ジルコン結晶には、液体の水と接触した痕跡があり、当時の地球にはすでに海があったことが示唆されている。

太古代の初めには、地球は大きく冷えていた。太古代の大気には酸素がなく、紫外線を遮断するオゾン層もなかったため、現在の生命体は地表では生存できなかったと考えられる。しかし、太古代前期には原始生命が進化を始めていたと考えられており、候補となる化石は約35億年前とされている。科学者の中には、生命は冥王代初期の44億年前の時代に始まり、後期重爆撃期に地表下の熱水噴出孔で生き延びたのではないかと推測する者もいる。

月の形成

地球の唯一の自然衛星である月は、太陽系内の他のどの衛星よりもその惑星と較べて大きい。アポロ計画では、月面の岩石が地球に持ち込まれた。これらの岩石の放射年代測定の結果、月は45.3±0.1億年前のものであり、太陽系から少なくとも3,000万年後に形成されたことが判明した。新しい証拠によると、月の形成はさらに遅く，44.8±0.2億年前、つまり太陽系が始まってから7000万～1億1000万年後に形成されたと考えられている。

月の形成についての理論は、その後期の形成を説明するとともに、以下の事実を説明しなければならない。第一に、月の密度が低く（水の3.3倍、地球の5.5倍）、金属核が小さいこと。第二に、月には水やその他の揮発性物質がほとんど存在しない。第三に、地球と月の酸素同位体比（酸素同位体の相対的な存在量）が同じであること。これらの現象を説明するために提案された理論のうち、広く受け入れられているものがある。ジャイアント・インパクト仮説は、原始地球に火星ほどの大きさの天体（「テイア」と呼ばれることもある）が衝突して、月が誕生したという説である。

この衝突は、非鳥類恐竜の絶滅を引き起こしたと考えられている、より最近のチクシュルーブ衝突の約1億倍のエネルギーを放出した。地球の外層の一部を蒸発させ、両天体を溶かすのに十分なエネルギーであった。  マントル物質の一部は、地球の軌道上に放出された。ジャイアント・インパクト仮説では、月は金属物質が枯渇していたと予測され、その異常な組成を説明している。地球周回軌道上の噴出物は、数週間のうちに凝縮されて一つの物体になったと考えられる。自身の重力の影響を受けて、放出された物質はより球状の物体、つまり月になった。

最初の大陸

プレートテクトニクスの原動力であるマントル対流は、地球内部から地表への熱の流れである。大洋中央海嶺で硬い構造プレートが作られている。これらのプレートは、沈み込み帯でマントルに沈み込むことによって破壊される。太古代初期（約30億年前）のマントルは現在よりもはるかに高温で、おそらく1,600℃程度であったため、マントル内の対流はより速かったと考えられる。現在のプレートテクトニクスに似たプロセスが起きていたとはいえ、これももっと早かったでしょう。冥王代、太古代には、沈み込み帯が多く見られたため、地殻プレートも小さかったと考えられる。

地球の表面が最初に固まったときに形成された初期地殻は、この冥王代の高速なプレートテクトニクスと後期重爆撃の激しい衝撃の組み合わせによって完全に消滅した。しかし、地殻の分化がほとんど進んでいなかったため、現在の海洋地殻のような玄武岩質であったと考えられている。  最初の大きな大陸地殻は、地殻下部の部分的な融解の際に軽い元素が分化してできたもので、冥王代末期の約40億年前に出現した。この最初の小さな大陸の残骸はクラトンと呼ばれる。これらの冥王代末期から太古代初期の地殻は、現在の大陸を形成するコアとなっている。

地球上で最も古い岩石は、カナダの北米クラトンで発見された。これは約40億年前のトーナル岩である。これらの岩石には、高温による変成作用の痕跡や、水運による侵食で丸みを帯びた堆積粒子が見られ、当時、川や海が存在していたことを示している。クラトンは、主に2種類のテレーンが交互に並んでいる。1つ目は、低品位の変成堆積岩からなる、いわゆるグリーンストーンベルトである。このグリーンストーンは、今日、海溝や沈み込み帯の上で見られる堆積物に似ている。このため、グリーンストーンは、太古代の沈み込みの証拠とみなされることもある。2つ目のタイプは、珪長質火成岩の複合体である。これらの岩石は、ほとんどが花崗岩に似た組成のトーナル岩、トロンジェマイト、花崗閃緑岩（このようなテレーンはTTGテレーンと呼ばれる）。TTGテレーンは、玄武岩の部分溶融によって形成された最初の大陸地殻の遺物と見られる。

海洋と大気

地球には3つの大気があったとよく言われる。太陽星雲から取り込まれた最初の大気は、水素とヘリウムを中心とした太陽星雲の軽元素（アトモフィル［訳注：水素・炭素・窒素・希ガス］）で構成されていた。太陽風と地球の熱によってこの大気が吹き飛ばされた結果、大気中のこれらの元素は、宇宙の存在量に比べて減少していった。月が誕生した後、溶融した地球からは揮発性のガスが放出され、さらに火山からもガスが放出されて、温室効果ガスに富むが酸素に乏しい第2の大気が完成した。  そして、約28億年前にバクテリアが酸素を生産するようになってから、酸素を多く含む第3の大気が誕生した。

大気と海洋の形成に関する初期のモデルでは、第2の大気は地球内部からの揮発性物質のガス放出によって形成されていた。現在では、降着の際に、飛来物が衝突時に気化する「衝突脱ガス」と呼ばれるプロセスによって、揮発性物質の多くが運ばれた可能性が高いと考えられている。そのため、地球の形成と同時に、海や大気が形成され始めたと考えられる。新しい大気には、水蒸気、二酸化炭素、窒素、および少量の他のガスが含まれていたと考えられる。

太陽から地球までの距離である1天文単位（AU）の距離にある惑星は、太陽系星雲の温度が高すぎて氷ができず、水蒸気による岩石の水和に時間がかかりすぎたため、地球に水を供給しなかったと考えられる。水を供給したのは、外側の小惑星帯からの隕石と、2.5 AUを超えたところにあったいくつかの大きな惑星の胚である。彗星も水を供給したかもしれない。現在、ほとんどの彗星は海王星よりも太陽から遠い軌道を回っているが、コンピュータ・シミュレーションによると、もともと彗星は太陽系の内側ではるかに多く存在していたことがわかっている。

地球が冷えると雲ができた。雨が海を作った。最近の研究では、海の形成は44億年前に始まったと考えられている。太古代の始まりには、海はすでに地球の大部分を覆っていた。このような初期の形成を説明するのは難しい。星は年齢を重ねるごとに明るくなることが知られているが、太陽が形成された時点では、現在の70％の力しか出していなかったはずである。つまり、この45億年の間に太陽は30％明るくなったことになる。多くのモデルでは、地球は氷に覆われていたと考えられている。温室効果を生み出すのに十分な量の二酸化炭素とメタンが存在していたというのが有力な答えである。二酸化炭素は火山によって、メタンは初期の微生物によって生成されたと考えられている。もう1つの温室効果ガスであるアンモニアは、火山によって放出されたが、紫外線によってすぐに破壊されたと思われる。

生物の起源

初期の大気や海洋が興味深い理由の一つは、生命が最初に誕生した条件を形成しているからである。非生物の化学物質からどのようにして生命が誕生したのかについては、多くのモデルがあるが、コンセンサスは得られていない。実験室で作られた化学システムは、生物の最小の複雑さにはほど遠い。

生命誕生の最初のステップは、生命の構成要素である核酸塩基やアミノ酸を含む、より単純な有機化合物の多くを生成する化学反応であったかもしれない。スタンレー・ミラーとハロルド・ユーリーが1953年に行った実験では、水、メタン、アンモニア、水素を含む大気中で、雷の効果を模した火花を使ってこのような分子が生成されることが示された。大気の組成はミラーとユーリーが使ったものとはおそらく異なっていたが、その後、より現実的な組成の実験でも有機分子の合成に成功している。コンピュータ・シミュレーションによると、地球外の有機分子は、地球が形成される前に原始惑星系円盤で形成された可能性がある。

生物が自分に似た子孫を作る能力である自己複製、自分を養ったり修復したりする能力である代謝、食物の侵入と老廃物の排出を可能にし、不要な物質を排除する外部の細胞膜という、少なくとも3つの可能な出発点から、さらなる複雑さに到達したと考えられる。

複製第一：RNAの世界

現代の3つの生命体では、最も単純な生命体でも、DNAが「レシピ」を記録し、複雑なRNA分子やタンパク質分子がその指示を「読み込み」、成長、維持、自己複製に利用している。

リボザイムと呼ばれるRNA分子が、自らの複製とタンパク質の構築の両方を触媒することが発見され、初期の生命体はすべてRNAでできていたのではないかという仮説が生まれた。なぜなら、突然変異や遺伝子の水平移動によって、各世代の子供たちは親が最初に持っていたものとは異なるゲノムを持つ可能性が高かったからである。その後、RNAはDNAに取って代わられ、DNAの方が安定しているため、より長いゲノムを構築することができ、1つの生物が持つ能力の範囲を広げることができた。リボザイムは、現代の細胞の「タンパク質工場」であるリボソームの主要構成要素として残っている。

自己複製する短いRNA分子は実験室で人工的に作られているが、生物以外の自然なRNA合成が可能かどうかは疑問である。初期のリボザイムは、PNA、TNA、GNAなどのより単純な核酸から形成されていた可能性があり、それらは後にRNAに取って代わられたであろう。RNA以前の複製因子としては、結晶や量子系なども考えられている。

2003年には、多孔質の金属硫化物の沈殿物が、熱水噴出孔付近の約100℃（212°F）の海底圧力でRNAの合成を助けることが提案された。この仮説では、原始細胞は、後に脂質膜が発達するまで、金属基質の孔に閉じ込められていたことになる。

代謝第一：鉄と硫黄の世界

もう一つの長年の仮説は、最初の生命はタンパク質分子で構成されていたというものである。タンパク質の構成要素であるアミノ酸は、もっともらしい前生物的な条件で簡単に合成でき、また、良い触媒となる小さなペプチド（アミノ酸の重合体）も合成できる。  1997年から始まった一連の実験では、一酸化炭素と硫化水素の存在下で、硫化鉄と硫化ニッケルを触媒として、アミノ酸とペプチドが生成されることがわかった。しかし、ある段階では、250℃の温度と7kmの岩盤の下に相当する圧力が必要であった。したがって、熱水噴出孔の近くでは、タンパク質の自給自足の合成が行われていた可能性がある。

代謝第一のシナリオの難点は、生物が進化する方法を見つけることである。個体として複製する能力がなければ、分子の集合体は自然選択の対象として「組成ゲノム」（集合体の中の分子種の数）を持つことになる。しかし、最近のモデルでは、このようなシステムは自然選択に応じて進化することができないことが示されている。

膜第一：脂質の世界

細胞の外膜を形成しているような脂質の二重壁の「泡」が、最初のステップとして不可欠だったのではないかと考えられている。初期の地球の状態を再現した実験では、脂質の形成が報告されており、それらは自発的にリポソームと呼ばれる二重壁の「泡」を形成し、自己増殖する。脂質は、核酸のように本質的に情報を運ぶものではないが、長寿と繁殖のための自然選択の対象となるだろう。RNAのような核酸は、リポソームの中では外よりも簡単に形成されるかもしれない。

粘土理論

モンモリロナイトに代表される粘土は、その結晶パターンの自己複製によって成長し、自然淘汰の対象となり（特定の環境で最も早く成長する粘土の「種」が急速に優勢になる）、RNA分子の形成を触媒することができるなど、RNAの世界の出現をもっともらしく促進する性質を持っている。この考えは科学的なコンセンサスにはなっていないが、今でも積極的な支持者がいる。

2003年の研究では、モンモリロナイトが脂肪酸の「泡」への変換を促進し、泡が粘土に付着したRNAを包み込むことも報告されている。泡はその後、さらに脂質を吸収して成長し、分裂する。初期の細胞の形成も、同様のプロセスによって助けられたのかもしれない。

同様の仮説では、自己複製する鉄分の多い粘土がヌクレオチド、脂質、アミノ酸の祖先であると提示されている。

最後の普遍的共通祖先

この多数の原始細胞の中で、1つの系統だけが生き残ったと考えられている。現在の系統学的な証拠から、最後の普遍的な共通祖先 Last universal common ancestor（LUA）は、太古代の初期、おそらく35億年前かそれ以前に生きていたと考えられている。このLUA細胞は、現在の地球上のすべての生命の祖先である。それはおそらく原核生物であり、細胞膜とおそらくリボソームを持っていたが、核や、ミトコンドリアや葉緑体のような膜に結合した小器官は持っていなかった。現代の細胞と同様に、遺伝暗号としてのDNA、情報伝達やタンパク質合成のためのRNA、そして反応を触媒するための酵素を使用していた。科学者の中には、単一の生物が最後の普遍的共通祖先であるのではなく、横方向の遺伝子伝達によって遺伝子を交換する生物の集団が存在していたと考える人もいる。

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最後に

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