2001年11月29日木曜日

3_14 生命

 地球には、生命がいます。人類も、その生命の一種です。地球は、現在知られている唯一の生命のいる星です。生命の量は、地球全体から見れば、取るに足らないものです。でも、一つ一つばらばらの個体ですが、生命全体としてみますと、生命圏と呼べるほどの、重要な構成要素となっています。その重要性を見ていきましょう。


 生命は、たった一つの細胞で生きている小さいものから、鯨のように多数の細胞からなる巨大な生物に至るまで、すべて共通性をもっています。それは多様性に富むことです。生命の多様性は、他の層(大気、海洋、地殻など)のものより、はるかに勝っています。その多様性を生む仕組みを、進化といいます。多様性と進化は、生命を特徴付けるものです。まあた生命の多様性と進化は、他の層へも大きな影響を与えます。生命は、大地や、大気、海洋との相互作用をし、お互いに変化してきています。だから、生命は、地球の構成要素として重要な役割をになうのです。
 生命のほとんどは、地表付近と海洋表面付近にいます。例外的に、高山や深海にもいますが、その量は少しです。例外的な場所を含めたとしても、生命は他の層に比べて、量や分布としては、少しです。また、生命は、他の層、つまり、大気、海洋、地殻などなくしては、存在し得ません。大気は、呼吸をするために、海洋は生きる場所、地殻は栄養補給、などとして、他の層がなくてはならないものなのです。つまり、生命とは、他の層への依存のもとに存在し得るのです。
 生命は、一方的依存だけでなく、相互作用をしています。それが、他の層に大きな変化を与えました。一番の変化は、生命という新たな物質循環を生み出したことです。その一番の事例が、地球の表面を酸化的環境に変えたことです。酸化的環境とは、原子や分子が酸化されやすい状態です。原始の地球は、金星や火星と同じような環境で、今ほど酸化的環境ではなく、太陽系の惑星としては、普通の環境でした。でも、今の地球は、非常に酸化的環境です。それは、大気や海洋に酸素分子(遊離酸素といいます)をたくさん含んでいるからです。酸素は、他の原子や分子を酸化させる機能をもっています。このような酸素が大気や海洋にあるという状態は、他の惑星には見られない特徴です。
 生命が誕生するまで、大気には多くの二酸化炭素が、海洋には炭酸イオンが含まれていました。初期の生命も、そのころの環境に適応した生活をしていました。つまり、原始の海洋の酸化還元環境に適応していたのです。しかし、生命を特徴付ける多様性と進化が、別の道を選びました。
 約20億年前に大量の発生したシアノバクテリアは、光合成を利用してより効率的は養分を得る仕組みを利用していました。そのころのシアノバクテリアは、ストロマトライトといいう岩石として大量に見つかります。シアノバクテリアの生活の廃棄物として、酸素が、大量に海洋に投棄されました。それまでの環境に適応していた生物には、とんでもない環境破壊が起こったのです。酸素は、それを解毒できない生物にとっては、猛毒でした。酸素は強力な酸化能力を持っています。生物の体を酸化して、有機物を分解してしまいます。そのため、当時きていた大部分の生物種は、絶滅したはずです。想像を絶する大絶滅が、20億年前には起きたに違いありません。
 そのころの酸化的環境への変化の産物として、約20億年前に形成された大量の縞状鉄鉱層が、世界各地の大陸から見つかっています。その量は、数100mの厚さの地層として、何10km、数100kmにわたって分布しています。縞状鉄鉱層は、海に溶けていた鉄のイオンが、酸素の供給によって、サビとして沈殿したものです。それを、私たち人類は、文明にはなくてはならない鉄資源として利用しています。
 酸化的環境への激しい環境変化を生き延びたのは、ほんの一握りの生物だったに違いありません。昔のままの環境を残す深海や、地殻深くなどのかろうじて絶滅を免れた生物がいたにすぎません。光合成をする生物と酸素を解毒できる生き物だけが生き延びました。その種類数は少なかったはずです。でも、持ち前の進化によって再び多様性に富む生物圏を作り上げました。やがて、酸素を解毒するだけでなく、エネルギーとして有効に利用する生物がでてきました。それが、私たちの祖先となるわけです。
 生命には、大量の炭素が使われています。その炭素は、かつて大気や海洋、地殻にあったものが、生命の材料として利用されました。そして、死んだ生物の炭素は、再び他の層にもどり、あるものは他の生物のものとなります。地球全体の生命の量(バイオマス)が、変化しない限り、ある一定量の炭素は、生命という層の中にあります。他の生命を構成している元素や物質についても同様のことがいえます。
 地球誕生のころ、地球には生命がいませんでした。あるとき生命ができ、そして長い時間と進化によって、現在のような大量の生命が形成されました。物質循環という視点からすると、生命は、酸素や炭素など元素の層移動の重要な原動力なっています。それは、生命だけでなく他の層をも巡る循環なのです。

2001年11月22日木曜日

3_13 海洋

 地球は、よく「水惑星」と呼ばれます。その理由は、地球の表面には、海が広く分布するからです。その広がりが、地球を青く見せているのです。「青い地球」の青の海では、どのようなドラマが繰り広げられたのでしょうか。


 海。それは、大部分が水からできています。水とは、H2Oです。でも、H2Oの液体が存在するには、非常に限られた条件を満たさなければなりません。それを、地球が満たしていたのです。そして、液体のH2O、水が存在したから、私たち生命が地球に存在できるのです。水と生命には切っても切れない関係があります。
 原始の地球の材料に、H2Oが含まれていました。そのおかげで、地球には、初まりからたくさんのH2Oがありました。H2Oというのは、太陽系だけに固有のものではなく、宇宙では比較的たくさんある成分なのです。ですから、太陽系の惑星には、もともとH2Oが含まれていたり、今もたくさん含まれています。材料を見ると、地球は選ばれた星ではなっく、ごくありふれた星なのです。
 H2Oがたくさんあっても、H2Oは温度によって、冷たければ(地表では0℃以下)固体の氷になり、熱ければ(地表では100℃以上)気体の水蒸気になります。太陽系の惑星の表面温度を決定する一番大きな要因は、太陽からのエネルギー量です。太陽に近いと熱く、遠いと冷たくなります。その中間的な位置では、H2Oが液体の水となるのです。
 地球は、水が存在できるような太陽から位置にあったのです。でも、地球だけでなく、火星も、液体のH2Oが存在できる条件を備えていました。ですから、かつては、火星の表面には、地球のように、海があったと考えられています。火星が小さかっため、引力が弱く、大気がだんだん宇宙空間へ抜けていって、薄い大気の冷たい星になったと考えられています。さらに遠い惑星では、H2Oは氷になっています。逆に、地球より太陽に近い、金星や水星は、熱さのため、液体の水は存在しません。
 隕石の衝突で熱かった原始の地球は、隕石の衝突が収まってくると、冷めてきます。すると、大量にあった水蒸気は、雨となって降ってきます。それが、やがて海になります。
 海は、水が主成分ですが、その他の成分も混じっています。それは、水が、他の成分を非常に溶かしやすいという性質を持っているからです。海水には、ナトリウムイオン(Na)と塩素イオン(Cl)が大量に溶けています。NaとClは、しょっぱさのもとである塩(しお)(NaCl)となります。次いで多いのが、マグネシウムイオン(Mg)です。マグネシウムはニガリのもとです。さらに、イオウイオン(S)、カルシウムイオン(Ca)、カリウムイオン(K)が、溶けている(溶存)成分として続きます。
 海の水の歴史は、まだ解き明かされていません。海水の量は、昔から現在ほどの量があったのでしょうか。また、海水において、上で述べたような成分は、いつごろからあったのでしょうか。成分やその濃度に、変化はなかったのでしょうか。このような素朴な疑問に対する仮説はあるのですが、まだ定説まで至っていません。
 でも確かなことがあります。それは、生命が、35億年前には、海の中で生まれていたということです。そして、生命の中には、体液として海の記憶があります。生理食塩水の塩分濃度は、3.5%です。これは、海水の塩分濃度と同じです。だから、もしかすると塩分濃度は、今も昔も変わらないのかもしれません。すると、生命は、非常に薄い溶液の中で生まれたことになります。
 実は、そこが問題なのです。現在のような海水があるだけの条件では、生命は誕生できません。生命誕生には、生命にいたるための分子をつくるのに、エネルギーも必要だし、成分も濃集されている必要があります。エネルギーの供給の多いところは、環境としては、苛酷で、変化が激しいところです。そんな環境が、今もあるのでしょうか。
 少しですが、現在もあります。それは、熱水の噴出口です。中央海嶺と呼ばれるマグマの活動の激しいところでは、多様な成分が溶けこんだ熱水が噴出を続けています。そのような環境は、過酷ですが、特殊な成分の濃集や、激しい化学変化やおこっています。ですから、多くの科学者は、生命の誕生の場が、深海の熱水噴出口ではないかと考えています。
 その有力な証拠として、35億年前の化石が見つかった環境が、地質学的調査から、海嶺の熱水噴出口だったとされています。また、傍証として、原始地球の表面は冷めたとしても、内部はまだ熱ければ、火山活動が激しかったと考えられます。となれば、熱水噴出口も地球の各地にあったと考えられます。そこでは、生命の合成実験が日夜繰りかえされていたのです。そして、少なくともその一つは成功して、それが、私たち生命の祖先となったのです。

2001年11月15日木曜日

3_12 大気

 大気。それは、地球の周りに、ほんの少しだけ、本当に薄くまとわりつくベールのようなものです。スペースシャトルからの映像を見ると、その儚(はかな)さがよくわかります。そんんな薄い大気ですが、われわれ地球生命にとっては、なくてならないものです。そして、大気は、長い地球の歴史の中で、変化を遂げ、今の姿になったのです。


 地球の大気は、空気と呼ばれています。空気は、8割の窒素(N2)と2割の酸素(O2)、そして少量のアルゴン(Ar)と二酸化炭素(CO2)からできています。と、よく言われますが、正確には、いくつかの前提を話すべきです。まず、この比率は、地表付近のものであること、そして大気組成は、体積や重量での比率を区別することが重要です。地球付近の窒素の体積比は78.088%、重量比は75.527%で、酸素の体積比は20.949%、重量比は23.143%で、アルゴンの体積比は0.93%、重量比は1.282%で、二酸化炭素の体積比は0.035%、重量比は0.0456%となります。窒素や酸素は、主成分であることと、分子量に大きな差がありませんので、窒素と酸素が、8割と2割で体積でも重量でも差があまりでません。ですから、あいまいな表現でもよかったのですが、例えば、分子量(正確には原子量)の大きな(83.7)クリプトン(Kr)は、体積比では0.000114%で、重量比では0.000330%となり、値としては3倍あるいは3分の1もの違いが生じます。話が脱線しました。戻しましょう。
 さて、なにげなく吸っている空気。これは、いつからあったのでしょうか。地球誕生の時からでしょうか。それとも、あるときにできたのでしょうか。
 前回も少し紹介したのですが、実は、地球形成の歴史から考えられる最初の大気は、今とは全く違ったものだと考えられています。地球の素材である隕石から出てくるガスは、水蒸気(H2O)や二酸化炭素(あるいは一酸化炭素)、窒素を主成分とするものです。水蒸気は、原始の地球が冷めてくると、液体の水となり、集まってやがて、海洋になります。ですから、冷めた地球では、二酸化炭素(あるいは一酸化炭素)と窒素が、原始の大気(空気ではありません)の主成分となっていたのです。
 今の大気と比べて、原始地球の大気は、酸素がなく、二酸化炭素が多いものだったのです。これは、隣の金星や火星の大気が、二酸化炭素と窒素を主成分とすることも、傍証となります。ということは、何らかの作用で、原始地球の大気に、酸素が加わり、二酸化炭素が抜けていったことになります。駆け足になりますが、45億年のストーリを紹介しましょう。
 酸素は、生物がつくったのです。浅い海にすんでいたシアノバクテリアが、その役割を果たしたのではないかと考えられています。シアノバクテリアは、光合成をする生物です。光合成とは、葉緑体という器官で、光のエネルギーを使って、二酸化炭素と水から、炭水化物などの有機物と酸素をつくる作用です。シアノバクテリアが長年にわたって、光合成を続ければ、やがて、大量の酸素が大気中に蓄積されます。
 大気中の二酸化炭素は、ある比率で海の中にも溶け込みます。その溶けた二酸化炭素が、光合成には利用されています。そのほかにも、化学的に炭酸カルシュウム(CaCO3)として沈殿したり、生物の殻や骨など(これも多くは炭酸カルシュウム)、あるいは有機物(最終的には炭素)として固体となれば、気体の二酸化炭素よりコンパクトに(小さい体積)になります。減った海水中の二酸化炭素は、大気から即座に補充されます。このような炭素の固化作用を長い期間続ければ、大気中の二酸化炭素を、海をへて、生物と地球自身の作用によって、取り除くことができます。
 駆け足でしたが、地球の大気の空気へいたる履歴を見ていきました。生物、海洋、大気の相互作用による酸素の合成と、二酸化炭素の固化は、現在も続いています。でも、人類による急激な、二酸化炭素の大気への添加、熱帯雨林の破壊や海洋汚染による光合成の阻害などが進めば、地球の大気環境は、変化するかもしれません。それは、大気だけにとどまらす、海洋や、やがては生物自身へと、その変化の輪は広がるかもしれません。

2001年11月8日木曜日

3_11 相と層

 地球には、いくつかの相(そう)があり、層をなしています。どのような相が、どのような層をなし、どのような秩序がそこにはあるのでしょうか。地球を丸ごと見ていきましょう。


 地球は、多様な物質が、多様な相をなして、複雑に絡み合ってできています。ここでいう相とは、個々の物資を意味するものでなく、固体や液体、気体、あるいは生命など、非常の大きな区分で見ていきます。相を構成するものも、静止しているわけではなく、時間と共に、移動したり変化したりしています。ですから、相自体も変化しています。それが、地球を構成する相の真の姿です。
 そんな複雑な地球ですが、現状を相という区分けだけでみていくと、実は、案外単純な秩序で、構成されていることが見て取れます。地球における気体の相(気相)は、大気です。液体の相(液相)は海洋、生命の相は生命、固体の相(固相)は地球の固い部分です。このようなものが、層をなして重なっているのです。層の形成における秩序は、軽いものが上、重いものが下、という単純なものです。相を地球規模で語るとき、圏(けん)という呼び方をするときがあります。気相である大気は気圏、生命は生物圏、液相である海洋は水圏、固い岩石でできている固体部分を岩圏といいます。
 固体は、岩圏よりさらに深くまでおよんでいて、地殻、マントル、核という層構造があります。その層構造は、重いものは下、軽いものは上という秩序が維持されています。岩圏というと、だいたい固相の上部だけの100キロメートル程度をいいます。岩圏は、固相の地殻とマントルの最上部だけを指しています。
 このような層は、地球にもともと形成されていたものではなく、あるとき、ある仕組みで形成されたものです。それは、隕石からわかります。
 地球の材料となった隕石(始源(しげん)的隕石といいます)が見つかっています。小さな隕石ですが、その隕石には、岩石の成分の他に、H2OやCO2、N2、C、Fe、FeSなどの成分がかなりたくさん含まれています。岩石は地球のマントルから地殻の主要成分です。H2Oは海洋の主成分で、H2O、CO2やN2は大気の主成分に、CO2、N2やCは生命の主成分に、FeやFeSは核の主成分になっています。つまり、始源的隕石の中に、現在の地球の成分が、すべて含まれていたのです。このような隕石がたくさん集まれば、地球を構成することができます。ただ、今の地球のような層構造をつくるには、別の作用として、相の分離が起こらなければなりません。それは、地球の初期に起こったの出来事です。
 地球誕生のストーリの概略は、以下のようです。原始の惑星として、地球が誕生する時は、大量の隕石が集まってできます。隕石の衝突は激しく、衝突する現場では、大量のエネルギーが開放されます。現場は、高温高圧の状態になります。そのとき、隕石に含まれていた気体になりやすい成分(揮発(きはつ)成分と呼びます)は、固相から放出されます。揮発成分が原始の大気という層になります。ぶつかられた原始地球側も高温高圧となって、岩石が溶けます。激しい衝突が続くと、原始地球は解け、マグマの海となります。マグマの海では、鉄(Fe)や硫化鉄(FeS)が、岩石とは分離します。分離したFeやFeSは重たい成分ですので、沈んでいきます。それが、やがて核という層を形成していきます。
 地球創世期の激しい相と層の形成の物語は、以上のようなものです。でも、原始の相と層は、現在のものとは違います。相と層が、現在の姿になるまで、ゆっくりとした相と層の変遷の歴史が始まります。それは、次回以降にしましょう。

2001年11月1日木曜日

1_16 最初の生命(2001年11月1日)

 最初の物語は、大気から、固体、海、陸、海洋底と続き、今回は最初の生命の話です。最初の生命は、いつどこで、誕生したのでしょうか。それは、なにからわかるのでしょうか。生命のはじまりの物語です。
 過去の生物の調べるには、いくつかの方法があります。一般的な方法は、化石を探すことです。その他に、現在生きている生物の系統樹を書いて、一番初期の生物を探っていく方法や、あるいは宇宙に生命の起源を求めたり、宇宙の生物を発見することで解決を目指そうという方法、生命を作っていこうという方法などがあります。でも、化石を探す方法が、直接的で確かなようです。ここでは、化石による最古の生物探しを紹介しましょう。
 最初の生物は、海に誕生したと考えられます。その理由は、現在の原始的な生物は、海の中や、熱水中などを生活の場としています。それに、進化した生物でも、陸に住もうが、地中に住もうが、空を飛ぼうが、体には母なる海の記憶を残しています。ヒトもそうです。血液は、海水と似た成分を持っています。なにより、体の80パーセントは、水(H2O)からできています。一個の細胞をとりあげれば、そこは、袋に入った海の環境を見ることができます。
 生命は、海から生まれたのです。
 海に住んでいる生物は、土砂と一緒に、堆積物中に取り込まれ、堆積物と一緒に岩石になり、化石として、現在に蘇ることがあります。化石になる事件は稀なことですが、長い時間とたくさんの堆積岩には、化石が稀ではなく見つかります。
 でも、まず、化石になるためには、しっかりした体をもっている必要があります。例えば、殻や骨、歯、木、種、花粉などは、化石として残りやすくなります。でも、このような生物は、ある程度進化した生物となります。「最初」の生物は、殻も骨もなかったはずです。柔らかい体で、水の中に、ぷかぷか浮いていたはずです。もっと前にいたはずの、生物と非生物の境界に当たるような生き物は、ますます、はかない体や入れ物しかなかったはずです。原始の生物ほど化石には残りにくいのです。
 でも、科学者は、世界各地に赴いて、古い時代の化石を探しています。現在、多くの研究者が、最古の化石と認めているのは、オーストラリア西オーストラリア州ノースポールと呼ばれる地域で見つかった約35億年前のものです。その化石は、チャートと呼ばれる岩石の中から見つかった非常に小さなものです。
 灼熱の砂漠のようなところに、化石を含む岩石があります。そんなところでも、生物はいきています。ですから、化石であることを示すには、現在の生物が紛れ込んで、見誤らないようにしなければいけません。岩石の中には、化石として入っているということを、はっきりと示さなければなりません。小さい化石なので、目で見ることはできません。そのために、大量の岩石が採集して、光を通すほど薄くして、顕微鏡でその存在を確認します。そのようにして得られた化石は、岩石の中に完全にはいっていると判定できます。大変な労力のいる仕事です。
 でも、そこから得られた結果は、重要です。だれが見ても、そこには、細胞のようなつくりや細胞が連なっている様子が認められます。写真をみれば、誰でも納得できるようなものです。多くの研究者は、その35億年前の前の化石が本物であると認めています。また、同じ地域を研究した、日本人の研究者も、同じ方法で化石を発見してます。
 ただ、その生物がどんな生き物であったかは、議論のあるところです。最初の発見者である研究者は、比較的浅い海で、光合成をしていた生き物であったと考えています。一方、日本人研究者は、深海の海嶺で、熱水噴出しているような環境に住んでいた生物と考えています。まだ、どちらが正しいかは、決着をみていません。
 さらに古い化石の候補として、最古の堆積岩の中に生物の痕跡が見つかっています。グリーンランドの約38億年前の堆積岩の中に含まれる小さな燐灰石(りんかいせき、アパタイト)という鉱物の化学組成の特徴から、生物による化学的作用が働いていたという説があります。多分この頃の生物は、非常に原始的で、もしかすると化石に残らないような生物ではなかったかもしれません。まだ議論が行われていて、決着をみていません。でも、もし、この38億年前の痕跡が、本当に生物のものであったら、それは、大変な結論を導きます。
 最古の堆積岩は、最初の海の証拠でもあります。最初の海に、最初の生命が宿るということになります。もしそうなら、生物とは、海さえあれば、簡単に生まれてくるもの、という仮説が成立します。生命とは、そんなにどこでも簡単に生まれるものでしょうか。そしてタフに現在まで生き延びてるものでしょうか。生命とは不思議なものです。