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2017年6月9日（火）一限〈吉田南4号館 31教室〉

授業に潜入！ おもしろ学問

自然科学科目群 地球科学（基礎）基礎地球科学A（宇宙誕生から現在まで）
どうして地球には、これほど多くの酸素があるのだろう

酒井 敏先生
人間?環境学研究科 教授

宇宙诞生から现在にいたるまでの百数十亿年、宇宙や地球はいったいどのような歴史を歩んできたのだろう。「日常の生活とはまったく违う视点から地球を考えよう」とよびかける酒井敏教授。今回のテーマは、现在の私たちの生活に必要不可欠な「酸素」。その诞生には、太阳系のなかで唯一、液体の水をもつ惑星「地球」ならではの物语があった

図1　太阳系の惑星

水星や金星、地球、火星は、岩石や金属などから构成される「地球型惑星」（図1）で、およそ四六亿年前に形成されたといわれています。こまかい尘が集まり、あるていどの大きさまで固まったあと、块どうし、あるいは陨石とはげしい衝突をくり返して、现在の大きさになりました。衝突で地表面が热くなり溶けると、ぶつかった陨石にふくまれる化学成分が気体となり吐き出されます。それが地表の溶けたマグマと平衡状态となることで、水蒸気300気圧、二酸化炭素60気圧の原始大気がつくられました。

この原始大気は、现在の大気とはずいぶん违う。私たちの暮らす地上は一気圧の世界です。温度が同じだと仮定した场合、原始大気の密度は360倍ですから、相当に重たいと考えられます。仮に私たちが原始大気のなかで生きられたら、空を飞ぶことができるかも。（笑）水をかくように手を动かすと、たくさんの空気が动きますから、かなりの力となるはずです。そもそも密度が高いと浮力が生まれますから、体も軽い。（図2）

図2　原始大気と现在の大気

ここまで想像すれば、原始大気がいまとは大きく异なるとわかりますね。数字をただ覚える勉强はやめにして、それがなにを意味するのか、すでに得ている知识と结びつけて、どれだけ世界を膨らませられるかがほんとうの学びです。

金星や火星とは、异なる进路を歩む地球

诞生したばかりの金星や火星にも、地球と同じくらいの気圧の原始大気があったと考えられます。しかし、现在の火星、地球、金星の大気をくらべると、気圧はもちろん、成分がずいぶん违います。（図3）火星と金星は二酸化炭素が主成分です。原始大気の大半を占めていた水（水蒸気）がなくなり、二酸化炭素がのこったと推测ができます。

図3　现在の大気の成分

ところが、地球は同じ地球型惑星でありながら、二酸化炭素はごくごく微量。グラフにすると、目视できる线一本にもみたないのです。地球の主成分である窒素は、金星や火星にも存在しますが、窒素は化学変化を起こしにくい不活性な元素ですから、大気が発生した最初からあったと考えてもふしぎではありません。

问题は酸素です。なぜ、地球にはこれほど多くの酸素があるのでしょうか。宇宙空间に酸素の元素はたくさん存在していますが、そのほとんどが颁翱₂や贬₂翱など、いろいろな元素と化学结合した状态です。ほかの元素と化学结合しやすいので、翱₂の状态を保つことはむずかしいのです。にもかかわらず、いまの地球の大気中には酸素が二割もある。だれかが酸素をつくりつづけているからこそ、これだけの酸素が存在するのです。

「水」ほど特异な物质はない

原始大気が生まれたあと、それぞれの惑星で起こった変化を追いかけてみましょう。金星は地球よりも太阳に近く、温度が高いので、水蒸気は液体にならずに気体のまま大気中にとどまります。水は、太阳からの紫外线で分解され、水素と酸素になる。軽い水素は、金星の重力ではひきつけておくことができず、宇宙空间に放出される。のこった酸素は、地上のいろいろな物质と结合したと考えられます。

いっぽう、太阳から离れている火星には、かつては液体の水が存在したと考えられています。现在の火星には、地表面に水はありませんが、地下には冻った状态の水、极冠にはドライアイスも存在します。极では水よりも凝固点の低い二酸化炭素でさえ冻るほどに火星の気温は低いのです。

この火星と金星とのあいだに位置する地球の気温はその中间で、叁つの惑星のなかで唯一、长期间にわたり水が液体で存在しつづけられる环境にありました。大気中の水蒸気が液体となり、海となって保持できたことが、地球がほかの惑星とは异なる进化をとげた大きな要因です。

水は、地球に暮らす私たちにはとてもみぢかでありふれた物质ですが、宇宙空间を见わたすと、これほど特异な物质はありません。水はさまざまなものを溶かしこみます。地球の原始大気の二酸化炭素の多くは水に溶けこむことで减ってしまいました。しかし、酸素はいったいどこから出てきたのでしょう。结论をさきに言いましょう。地球の酸素は生物起源なのです。では、それはいったいどんな生物なのでしょうか。ここからは、いくつかのビデオ资料をもとに解説をくわえます。

岩にのこされた酸素诞生の秘密

オーストラリア西海岸のハメリンプールという入り江には、ストロマトライトとよばれる岩が并ぶ。（図4）岩の表面に定着したラン藻类（シアノバクテリア）が光合成をして酸素を排出する。（図5）このラン藻类が、地球に最初の酸素をもたらしたといわれる。昼は光合成をして、酸素を放出しながら成长する。夜は粘液を出して、波に巻きあげられた砂や泥の粒を固める。この过程をくり返して、岩石の层を一枚ずつ重ねてゆく。（図6）

酸素があるから地球に生物がいるのではなく、生物がいるから地球に酸素がある。四六亿年前に地球ができ、およそ10亿年かけて生物は酸素をつくりだせるまでに进化したのです。そうなると、最古の生物は35亿年よりも前に生まれていたことになりますが、いったいどんな生物だったのでしょうか。

最古の生物が出现したころの地球环境はいまとはまるでちがいます。大気中に酸素はほとんどありませんから、酸素がなくても生きていける生物でなければならない。さらに、そのころの地球の地表面は热く、あちこちで溶けたマグマと水とが接触していた可能性が高い。マグマからさまざまな物质が水に溶けますから、酸性度はかなり高いはずです。现在でも火山地帯や温泉地帯などにその环境と近い场所があります。そのような场所にも生物がいたのです。

海底から喷きあがる100度を超える热水

アメリカ大陆最大の火山地帯であるイエローストーン国立公园には、原始地球を彷彿とさせる地球内部の热がつくりだす温泉や火山がある。グランド?プリズマティック?スプリングとよばれる直径一〇〇メートルの青色の湖には、鉱物が溶けこんでいる。（図7）

100度近い水温で、辫贬1の强酸性の石灰が喷きあげる场所もある。この过酷な条件下で、スルフォロバスというバクテリアが生きている。（図8）酸素がなくても生きていけることから、地球に酸素がない时代の生命の一种ではないかといわれている。

地球上に最初に生まれたのは、酸素がなくても生きられる嫌気性生物だったのです。辫贬1は人间の胃酸と同じくらいの酸性度です。このころの地球には酸素がないので、太阳の紫外线は吸収されず、强いまま地表に降りそそいでいました。生物は紫外线のとどかない海の中で生まれました。

生物が生まれたのは深海だといわれていますが、深海は水圧が高く、水は100度では沸腾しません。临界圧力の218気圧を超えると、液体と気体の区别がなくなり、いくら温度を上げても沸腾しなくなります。そのような场所にも生物はいます。

メキシコ冲の2,600メートルの海底には、350度の热水が喷き上げる场所がある。（図9）この喷烟のなかに、酸素のない时代から生きていたバクテリアと考えられる生物がいる。生命诞生の现场はこのような过酷な环境だったと考える科学者もいる。

図9　大西洋中央海岭の热水喷出孔の黒烟
（出典：the National Oceanic and Atmospheric Administration/Department of Commerce）

こうした嫌気性生物にとって酸素は「危ないもの」なのです。私たちにとっても、酸素は生命维持に必要なものであると同时に、うまくコントロールしないとマイナスの効果をもたらす原因にもなる。

海一面をラン藻类が埋めつくす

こうしたなかで出てきたのは、酸素を放出するラン藻类です。嫌気性生物にとって、酸素はいわば毒ガスですが、ラン藻类は酸素を消费する代谢系を备えていました。海中の酸素量が増加しても生きのびることができたラン藻类は、しばらくして地球を制覇するのです。

カナダ北西部にあるグレート?スレーブ湖の岩肌には、ストロマトライトがつくりだした年轮のような模様がある。厚さは数十メートル。およそ20亿年前につくられた。

古い生物にとって、酸素を出す生物はこのうえない胁威となり、古い生物は一扫され、海はラン藻类に埋めつくされた。20亿年前の地球には、地上には生物はまったくおらず、海中にはラン藻类だけが繁殖していた。

「ラン藻类だけが繁殖していた」とありますが、おそらくそんなことはない。现在も嫌気性生物は存在しますから、どこかでこっそりと生き延びていたはずです。

20亿年前は、ストロマトライトをつくるラン藻类がかなり繁殖して、海中の酸素量は大きく増えたと想像できます。しかし、大気中の酸素もすぐに増えるかというと、そうではありません。

20亿年前の地球に拡がる錆色の海

当时の海中は酸性度が高く、さまざまなものが溶けこんでいます。グランド?プリズマティック?スプリングにも、おそらくいろいろな金属イオンが溶けている。

金属の代表といえば金や鉄、铜です。経済的には量の少ない金の価値は高く、ありふれている鉄は安価ですが、地球科学的にみれば、たくさんある物质こそ重要です。鉄は宇宙の诞生と同时にはじまった核融合の最终の姿ですから、宇宙空间には鉄の元素の数はとても多い。地球の核も鉄です。

かつての海中にも、鉄がたくさん溶けていたと考えられます。鉄イオンをふくむような酸性溶液に酸素が入ると、化学反応を起こして酸化鉄ができます。錆ですね。酸素は大気に出るまえに、海中で鉄などと化学结合して錆をつくった。当时は錆色の海が拡がっていたと考えられます。海中で錆が沉殿して固まり、鉄鉱床が形成される。いま、私たちがつかう鉄のほとんどはこの鉄鉱床から採られています。

オーストラリア西部のハマスレーで採掘される鉄鉱石には、60パーセントもの鉄がふくまれる。（図10）鉄の层は约1,500メートルにもおよぶ。鉄鉱床がある场所は、20亿年前は海底だった。

鉄鉱石の岩の层には、泥が石になった赤い筋と、鉄からできた黒い筋が交互にみられる。（図11）赤と黒の一组が一年の堆积を表す。夏に生物が繁殖して酸素が発生すると、鉄が沉殿する。冬に生物の活动が衰え、酸素が少なくなると泥だけが溜まる。この四季の営みが20亿年前の海でくり返された。

长い年月をかけて海水中の鉄がなくなると、鉄に吸収されなくなった酸素が海中に満ちて、やがて大気中に出てゆき、地球の大気に酸素がくわわった。生物はさらに繁栄し、地球上の酸素量はますます増える。やがて、この酸素を呼吸に利用する生物が登场し、急速に进化をはじめた。

1メートルの鉄が堆积するには、七千年の年月がかかるといいますから、1,500メートルの鉄が堆积するには、1000万年かかる。0.1亿年です。长い时间に感じますが、四六亿年の地球の歴史からすると一瞬です。

「正しい地球环境」の定义はできない

酸素をつくりだしたバクテリアはとても小さい生きものですが、时间や个数、地球の歴史と関连づけてながめると、とても影响力がある。彼らが酸素を出したおかげで、私たちは酸素のある世界に生まれ、いまなお酸素をつかって生きている。私たちにとって、ラン藻类は〈いい奴〉ですが、酸素のない世界で生きていた嫌気性生物からすれば〈とんでもない奴〉です。（笑）ラン藻类の出した酸素が海の姿を変えて、さらには大気まで酸素だらけにしてしまった。これを环境破壊といわずしてなんというのでしょう。だけど、生物のおもしろいところは、その酸素という毒を「おいしい」という奴が出てくる。（笑）

生物はあるべき姿にむかって进化するのではなく、なりゆきで进化します。直前まではとんでもない环境破壊だった状况を、逆に利用する。「生物とはこうあるべき」という正しいモデルはなく、その场の环境に适応して进化する。そして现在、たまたまこうして私たちは生きているのです。

同じく、「正しい环境」の定义などできません。いま、提唱されているのは、「人间にとって」よい环境を守ること。「本来の自然とはこうあるべきだ」という意见に対しては、「ならば、酸素をなくしますか」と。（笑）あくまでも「人间にとって」快适な环境を守るという意味でしかないのです。

生物は宿命として环境を変えます。変えた结果、その环境に适合した生物があらたに出现する。それが地球の歴史です。环境は、つぎつぎに変わるのが自然。どんでん返しをくり返して、现在の私たちと地球が存在しているのです。

さかい?さとし
1957年に静冈県に生まれる。1981年に京都大学大学院理学研究科修士课程中退。理学博士（京都大学）。京都大学教养部助手、助教授をへて2009年から现职。専门は地球流体力学。京都大学吉田南构内に设置されている、叁角形がたくさん集まった屋根をもつ休憩所「シェルピンスキーの森」を企画?监修した。