2010年4月29日木曜日

2_82 始祖鳥化石:恐竜から鳥へ1

 「恐竜は、白亜紀末ですべてが絶滅したのではない。子孫が鳥類として生き残っている」という話は、それほど真新しい話題ではありません。この内容が、今ではだいぶ普及して、多くの人が知るようになったようです。でも、なぜそのようなことがいえるのでしょうか。その理由をみていきましょう。

 恐竜の化石が、日本の各地でいくつも見つかるようになり、恐竜は馴染みのある存在になりました。博物館でも、何年かごとに行われる恐竜展でも、実物を目にしことがある非常にポピュラーな存在になりました。恐竜の新情報もメディアに登場することも多くなりました。このように恐竜に関する情報が広く伝わるようになると、正確な情報も広がります。そんな一つに鳥類が恐竜の子孫であるという説があります。今回は、その説についてみていこうと思います。
 現在までに、始祖鳥の化石は、10個発見されていますが、すべてドイツの南部のゾルンホーフェン近郊から見つかっています。そのうち2個は残念ながら行方不明になっています。
 ゾルンホーフェンは、ミュンヘンの北にある町で、古くから石灰岩を建材用に採石をしてる地でした。18世紀になると、石版印刷(リトグラフ)のために、ここの石灰岩が適しているため、たくさん採石されました。始祖鳥の化石は、そんな石灰岩の採石中に見つかりました。
 最初の始祖鳥化石は、1855年にみつかっていたのですが(ハールレム標本と呼ばれています)、その記載は1875年にドイツの古生物学者であるヘルマン・フォン・マイヤー(Hermann von Meyer)によって記載されました。記載されてはじめて化石は世に出ますので、世界中の研究者が引用することができます。ハールレム標本は、発見が一番早かったのですが、記載が遅れてしまいました。
 ハールレム標本の発見から5年ほど遅れて1860年に見つかったものが、1861年に、同じくフォン・マイヤーによって最初に記載されました。この標本が、タイプ標本なりました。タイプ標本とは、新種と定義するための記載の根拠としている標本のことです。現在この化石は、ベルリンのフンボルト自然史博物館に保管されています。
 タイプ標本発見の直後の1861年に、頭部が欠落した始祖鳥がみつかり、イギリスの古生物学者リチャード・オーウェン(Sir Richard Owen)が1863年に記載しました(ロンドン標本)。他にも、1876年(1877年とも)発見のベルリン標本は、頭部までの残っているもっとも保存のよい化石があります。その後始祖鳥の発見は、20世紀中ごろまでとだえます。
 さて、この始祖鳥を産した石灰岩は、中生代のジュラ紀後期キンメリジアン(Kimmeridgian、1億5560万から1億5080万年前)に形成されたものです。始祖鳥以外にも、エビ・魚・カブトガニ・アンモナイト・ウミユリ・トンボ・ナナフシなど、1000種ほどの化石が発見されています。当時のゾルンホーフェンは、サンゴ礁の化石などもあることから、暖かいラグーン(礁湖)のような環境であったと考えられています。
 始祖鳥が発見されたジュラ紀は、恐竜が生きていた時代にです。鳥の祖先の始祖鳥と恐竜は同時期に生きていたことになります。さて、19世紀中ごろの始祖鳥の発見は、学問の上でどのような影響があったのでしょうか。それは次回としましょう。

・天候不順・
今年は、天候不順の春です。
野菜への影響が強く現れています。
今後、稲作への影響も気になります。
不作にならなければいいのですが。
アイスランドの火山噴火による気象への影響も懸念されます。
そんな、不安を抱えたままの春ですが、
さすがに、晴れると心地よい春めいた空になります。
愛媛の山里の空は、北海道の突き抜けるような青空とは違って、
しっとりとした湿度を感じる青空です。
それは、森や山の緑越しに眺めるせいでしょうか。
こんな青空もいいものです。
早く気候が落ち着いてもらいたいものです。

・日本の心・
いよいよゴールデンウィークになりました。
私は、愛媛の山暮らしですが、
地元の行事にでるだけ顔を出すようにしています。
そこには、地域の人々に守られ、継続してされてきた
習慣や風俗が息づいています。
それは形骸化することなく、
あるべきものとして存在しています。
神社や寺はいまだに信仰の対象として祭られ、
実際に利用されています。
ここでは、昔ながらの日本の心が
残されている気がします。
行事に参加するということは、
そんな日本の心に触れることかもしませんね。

2010年4月22日木曜日

3_89 ダイヤモンドアンビル:マントル7

 今回は、マントルシリーズの最後ですが、最新の情報をお届けします。それは、地球内部のあらゆる場所の物質合成実験が可能になったというニュースです。ダイヤモンドを使った手のひらサイズの実験装置です。そんな小さなものが偉業を達成したのです。

 高温高圧発生装置を利用したマントルの再現実験は、上部マントルからマントルの遷移層までの条件は達成できていました。しかし、もっと深部となるとなかなか難しいものです。なぜなら、同じタイプの装置でより深部を再現するには、高圧を発生しなければなりません。そのためには装置が大きくなります。また、温度を上げると保持する材質が高圧に耐えられなかったりして、なかなか困難なものとなっていました。
 それを克服する試みはいろいろなされてきたのですが、最新の話題として、東京工業大学の廣瀬敬さんを中心として開発された高温高圧発生装置を紹介しましょう。
 その装置は、それほど大きくありません。手のひらに乗るほどのサイズです。ダイヤモンドを利用する方法です。ダイヤモンドはそれほど大きくはありません。ダイヤモンドを二つ、先端のとがった方を同士を合わせて圧力をかけます。
 ハイヒールで足を踏まれると、普通の靴で踏まれるより、ものすごく痛いものです。それは、ハイヒールを履いた人の体重が、ヒールのとがったところにすべてかかると、その圧力は大きなものになるためです。このハイヒールの原理を利用するわけです。ダイヤモンドアンビル超高圧発生装置とよばれるもので、以前から利用されていました。この装置は、以前から高圧発生装置の中でも、もっと高圧を発生させられるものとして、利用されてきました。
 高価にも関わらずダイヤモンドを利用するのは、高圧を発生するために硬いので適しているのですが、そのほかにもいろいろメリットがあります。ダイヤモンドは透明なので、光を通すという特性が利用できることです。
 ダイヤモンドアンビルの場合、狭いところなので熱をどう発生するのかが問題となります。その問題をレーザーを使って解決しています。レーザーを透明なダイヤモンドの中を通して、先端の試料に照射して温度を上げてきます。これで、ある程度温度の問題も解決できました。問題は、どこまで温度や圧力を上げられるかです。
 特に圧力は狭い範囲にする必要があるので、固いダイヤモンドを精巧に加工する必要があります。廣瀬さんは、ダイヤモンドの先端を40μmほどの直径の円形の平坦な面をつくり、そこに20μmの試料をつめて実験を行います。そこまで加工精度を上げられたことが、廣瀬さんが長年取り組んできた成果でした。
 20μmの試料というのは非常に微小です。しかし、入舩さんも利用したSPring8での強力X線を用いることで、そのような小さなものの構造解析が、高温高圧を発生したままでおこなえるようになりました。
 廣瀬さんは、これまでに、ダイヤモンドアンビルの改良を加えながら、発生圧力を上げてこられました。2008年4月には、マントルの最下部の条件を達成しています。そこには、電気の通りやすい層(高電気伝導層と呼ばれています)があり、その層が地球の自転速度を変動させていることを明らかにしました。
 そしてとうとう、2010年4月5日に、広瀬さんたちは、364万気圧、5550℃という人類未踏の条件での実験に成功しました。実は、この条件は、地球の中心部(364万気圧、5000℃以上)を越えるのもでした。この小さなダイヤモンドアンビルのおかげで、地球内部のすべての条件を、再現することができるようになったのです。もちろん広瀬さんたちの技術をもってしてですが。この技術を利用して、今後いろいろな成果が出されることになるはずです。期待したいものです。

・シリーズが終了・
今回でマントル・シリーズが終了です。
本当は、マントルの全貌を紹介するために
はじめたつもりだったのですが、
ついつい後半は高温高圧発生装置の話になりました。
それは、4月になってすぐに
廣瀬さんの研究成果の発表があったためでした。
また、すでに報告されていた入舩さんたちの成果も
紹介してなかったことあって、
ついつい話が変わっていきました。
まあ、最新情報を織り込んでいますから、
ご容赦ください。

・ミクロとマクロの融合・
小さなダイヤモンドを利用する実験手法です。
しかし、そこには硬いダイヤモンドを、
高精度に加工し、レーザーを絞り正確に照射するという
最先端技術が必要になるあずです。
そして、なんといってもSPring8という大型の装置も
不可欠でした。
このシリーズで紹介したものは、
すべてミクロとマクロの融合してはじめて達成された技術です。
これらは、日本が世界に誇れる技術だと思います。

2010年4月15日木曜日

3_88 メガリス:マントル6

 マントルの遷移層までの実態が明らかになってきました。その物質は、よく知られているものでしたが、予想外の広がりをもって横たわっていました。それを解明したのは、SPring-8という巨大な装置でした。

 SPring-8を用いた入舩さんたちの実験を紹介している途中でした。それを続けましょう。
 入舩さんたちは、高温高圧条件においたマントル物質に、強力なX線をあてて、試料の長さを正確に測定しました。また、超音波を用いてその試料を通過する時間も正確に測定しました。この2つの測定データから、長さ/時間=速度ですから、その物質を波(弾性波)が伝わる速度を精度よく決めることができます。この弾性波速度が、地球では地震波速度に相当します。つまり、入舩さんたちは、マントル遷移層の地震波の様子を実験で再現することに成功したことになります。
 いくつかの候補の物質を用いて実験し、そこから求めた弾性波速度と、実際の地球の地震波速度を比べました。すると、マントル遷移層も上部マントルと同じカンラン岩であることがわかりました。その結果、遷移層が柘榴石が多いという説が否定されたことになります。これで、マントルの化学組成の問題がかなり限定されたことになります。
 また他にも、新たなことが分かってきました。遷移層の下部には、従来から想定されていたマントル物質ではない、ハルツバージャイトと呼ばれるカンラン岩があることが明らかになりました。
 ハルツバージャイトとは、カンラン岩の一種だですが、少々特殊で、普通のカンラン岩から玄武岩の成分が抜けたものです。このようなハルツバージャイトは、玄武岩組成のマグマである海洋地殻が抜けたあと、その下にあるマントルを構成していると考えられています。つまり海洋プレートの主たる成分と同じものが遷移層の下部にあるようなのです。
 これは沈み込んだ海洋プレート、メガリスと同等にものであると考えられます。メガリス自体は、地震波でもその姿は捉えられています。
 今回の入舩さんたちの報告は、メガリスの存在根拠を見つけただけでなく、実は重要な問題提起もしています。メガリスの成分(海洋プレートの残骸)が、深度650kmあたりに全地球的にたまっていることになります。
 しかし、メガリスは、沈み込み帯の先に形成され、ある一定時間が経過すると、下部マントルに落下していくもので、全地球的にあるものとは考えられていませんでした。地震波のデータもメガリスは一時的にある場所に形成されているように見えていました。
 ところが、入舩さんたちのデータは、全地球に数10kmから100kmの厚さで、ハルツバージャイトの成分があることを示しています。これは、メガリスが、すべて落ちてしまうのではなく、一部がマントル遷移層下部に残ってしまうことを意味しています。それが、長年にわたって蓄積されたため、プレートの墓場の層ができているのではないかと考えられます。これも、今後のさらなる検討が待たれます。
 入舩さんたちの高圧発生装置は遷移層までの条件しか到達できませんので、下部マントルについてはまだ実験がされていません。しかし、別の方法で、もっと深部まで実験に挑んでいる人たちもいます。それは次回としましょう。

・新たな謎・
入舩さんたちは、上部マントルと遷移層が
カンラン岩からできていることを示しました。
それは、マントルの上半分が化学組成に
大きな違いはないことを示しました。
一方、遷移層下部がハルツバージャイトであることを示し
化学的に不均質があることも示しました。
沈み込んだプレートがメガリスとして
マントル対流が完結させるはずでしたが、
しかし、地球はどうも残渣をマントルの境界に残していたようです。
その数10kmの残渣を科学者は捕らえたのです。
今までの議論があったところは解決したのですが、
新たな謎を提示したことになります。
こんな繰り返しが、科学の進歩といえます。

・日常・
やっと研究の態勢が整い、
日常と呼べるものが始まりました。
校務の束縛がなく、
やりたいことを中心に生活ができる幸せを感じています。
家族と離れる寂しさがありますが、
メールと家族間の無料通話で連絡を取っています。
やるべきことも進めなければなりません。
それは、深く考えて論文を書くことと、
調査のために野外に出ることです。
しかし、野外での地質調査は、
5月以降から始めるつもりですが、
市内のいろいろな名所や風物を
見て回ることも目的としています。
その散策も日常に組み入れる必要があります。
それも考えているところです。

2010年4月8日木曜日

3_87 SPring-8:マントル5

 マントルの様子を、直接見ることは不可能です。しかし、マントルの条件を、実験室で再現していけば、間接的ですが、マントルを垣間見ることはできます。さらに、SPring-8を利用すれば、マントルの条件のままで、覗くことも可能なのです。

 温かいマントル物質が上昇していくものをホットプルーム(正式にはスーパーホットプルームと命名されています)と呼び、冷たいプレートが沈み込んで落ちていくマントルの流れをコールドプルーム(こちはスーパーはつきません)と呼んでいます。これらのプルームが、なぜ、670km付近で留まるのでしょうか。それには、マントルの構造と鉱物学的な理由があります。
 地球内部は深さとともに、温度と圧力が上昇していきます。鉱物は、温度や圧力が増すと、よりコンパクトになるために結晶構造を変化させて、高密度の結晶になっていきます。そのような変化を、結晶の相転移と呼びます。
 マントル物質はカンラン岩と呼ばれるもので、地上で見られるカンラン岩は、カンラン石や輝石を主として、長石などを少し含んでいます。カンラン岩を構成する鉱物は、結晶ごとに相転移の温度圧力条件が変わります。相転移は、深度400kmあたりから起こり始めて、670kmあたりまでで終了します。カンラン岩を構成する結晶の相転移がおこっているのゾーンを、マントル遷移層と呼んでいます。
 このような遷移層は地震波でもみえているため、地震波から物質の密度が推定されるのですが、その密度を満たすものはどのような物質であるかが、いろいろ推定され、議論されてきました。
 マントルのカンラン岩は、一様ではなく、上部マントルと遷移層、下部マントルでは、化学組成が違うのではなかという説もあります。それは、密度を満たすために推定した物質は、結晶の組み合わせによっていくつかの考え方ができたためです。
 たとえば、カンラン石の多いカンラン岩(パイロライト、pyrolite)という説と、柘榴石(ガーネットの高温高圧タイプのメージャライト)の成分が多い岩石(ピクロライト、piclogite)という説もあり、決着をみていませんでした。
 そのような疑問に対して、愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センターの入舩徹男さんたちと高輝度光研究センターの肥後祐司たちのグループが、高温高圧発生装置とSPring-8を使って調べました(Nature 2008.2.14)。SPring-8は、高温高圧装置が作動中でも、その中を通り抜けていけるほどの強力なX線を発生することできます。SPring-8を用いれば、高温高圧をかけた状態の結晶を観察することできます。つまり、高温高圧発生装置が再現しているマントルの条件で物質がどのような状態にあるかを測定できるのです。
 以前の高温高圧発生装置を用いた実験では、物質を高温高圧状態にしたのち、常温常圧にもどして、その物質の性質を調べていました。ですから、本当の高温高圧状態でその物質の性質が信頼できるのかという不安がありました。また、測定できない物性もありました。それを入舩さんたちのグループが、SPring-8を用いて解決していたのです。
 その成果については、次回紹介しましょう。

・日々精進・
四国に引っ越してきて1週間ほどが過ぎました。
やっとインターネットも開通できました。
メールの受信は大学のメールサーバからもできたのですが、
送信だけはいろいろ試したのですが、できませんでした。
データ通信の契約しているプロバーダー経由なので、
そこからの送信がうまくいかないようです。
仕方がないので、以前からメールの保存用に利用していた
WEBメールのGmailを利用して送信するようにしました。
送信と受信が別々なので少々わずらわしいのですが、
しかたがありません。
新生活は、わくわくして、今までできなかったことをはじめたり、
これからやっていきたいことに胸がわくわくしています。
でも、やはり重要なことは、
せっかくもらった時間を有効に利用して、
成果を上げることだと思っています。
そのためには、日々精進しかないですね。
これは、いつもの生活での心がけと同じですね。

・反面教師・
今回紹介した研究の中心人物である入舩さんは、
大学院時代の先輩でした。
当時、寡黙ですが淡々と仕事を進めていく、
非常に頭のきれる人でした。
そして必要とあらば新しい世界に思い切りよく飛びこみ
新しい道具などもすぐに取り入れられる能力もありました。
彼に比べると、自分の才能のなさを痛感したものです。
私も負けずに何度か新天地に飛び出しました。
その後も、自分なりに地道な調査をしたり、
人があまり考えない視点で
しつこく喰らいつくような研究を目指していきました。
入舩さんは、私にとっていい意味での
反面教師だったのかもしれませんね。
そして今回の新天地でも研究を進めたいと考えています。

2010年4月1日木曜日

3_86 プルーム:マントル4

 マントル対流とは、プルームの上下運動がその原動力となっています。プルームは、定常的な流れではなく、大量の物質がある時期大規模に移動することが、実体でした。その運動に基づいて地球の営みが再構成されてきました。プルームとは何で、何を明らかにしてきたかを紹介しましょう。

 地震波トモグラフィーをみると、670kmあたりにプルームの滞留場所があります。670kmを境に、温度の低いマントル物質がマントルの底の核に向かってと沈んでいき、温かいマントル物質が地表に向かって上昇していることがわかってきました。
 温かいマントル物質の上昇流をホットプルーム(正式にはスーパーホットプルームと命名されています)と呼び、冷たいマントル物質が落ちていく下降流をコールドプルーム(こっちにはスーパーはつきません)と呼んでいます。
 コールドプルームは、670kmあたりに一定期間留まるのですが、やがては下に向かってマントルの中を落ちていきます。670kmあたりにある巨大なコールドプルームのもとを、メガリス(megalith)や滞留プレート(stagnant slab)と呼んでいます。
 メガリスは、数千万年ほどの670km付近に滞留すると、下部マントルに落ちていくと考えられています。このようなメガリスの落下をフラッシング(flushing、トレイの洗浄の様子)といいます。地震波トモグラフィーでマントルの底に見えていた低温域が、落下したメガリスに相当すると考えられています。
 巨大なメガリスが、マントルの底に落下するというフラッシングは、大量の物質が、マントルの底に向かって流れ込むことになります。マントルの物質収支を考えると、メガリスに相当する量のマントル物質が上昇しなければバランスがとれません。マントルの底で一番上昇しやすい部分は、一番密度の小さい物質、つまり温度の高いものが上昇することになります。これがホットプルームとなります。
 ホットプルームも、670kmあたりにいったん留まります。そこから小さなプルームとして枝分かれするようにして、周辺地域にマグマ活動を起こします。これがいろいろな地質現象を説明します。
 今まで、ハワイ諸島の火山列のように8000万年以上の長期に渡って活動する火山の起源、デカン高原やシベリア、アメリカのコロンビア台地などの大量の溶岩を流す火山の仕組みなど、よくわからなかったことがあったのですが、このようなホットプルームの巨大なマントル物質があれば、説明できます。また、海嶺がなぜそこにあるのかも、下にホットプルームがあるからだという必然的な理由があったことになりました。
 このようなプルームの上下運動が、マントル対流の実体であると考えられるようになりました。マントル対流は、一様な物質の流れでははなく、間欠的な活動になっていました。そのようなマントルの運動論の全体を、プルーム・テクトニクスと呼んでいます。
 プルーム・テクトニクスは、地表付近の造山運動やマグマ活動に間欠性があることを示唆しています。その活動周期は、数千万年におよぶ長期のものですが、そのような痕跡を地質学者は確かめつつあります。
 プルーム・テクトニクスは、地表部分での大地の営みを説明するプレート・テクトニクスを内在しています。そして、マントル全体の物質循環をも説明しています。しかし、670kmあたりで見つかった新事実によって、新たな展開を見せるかもしれません。それは次回としましょう。

・愛媛県西予・
私は、4月1日に北海道を発って
四国に向かっています。
ですから、このメールマガジンも
予約して配信しています。
このエッセイでも何度かアナウンスしていたのですが、
1年間、大学のサバティカ(研究休暇)をもらって
愛媛県西予市城川町地質博物館に所属することになります。
主には四国西部を中心とする地質調査、
そしてその成果を科学教育に活かす方法を考えることです。
しかし、一番の目的は「雑音」のない環境で
自分の研究を見つめ直すということです。
地質の哲学的な深まりを追求したいと思いながら、
なかなか深められずにいました。
いろいろの手がかりは得ていたのですが、
なかなか進まず欲求不満でもありました。
そこの部分を、この機会に深めていきたいと思っています。

・科学の進歩・
マントル対流のアイディアは、
大陸移動を最初に提唱したウェゲナー以来
その存在が考えられていました。
そしてやっと実体を見ることができるようになってきました。
それは、いわゆる「対流」とは、少々違っていました。
しかし、その「対流」は、戸惑いを誘いますが、
最終的にはより確かな実体を見ることになりました。
理論はあるとき完成するわけではなく、
新しい事実、特に理論に合わない事実が、
新しい理論へと導きます。
このような理論と事実の積み重なりが
科学の進歩なのでしょうね。