2_213 生命誕生の条件 8：天然の原子炉

　冥王代には、天然の原子炉が、たくさん存在していたと考えられるようになってきました。地球の材料や、表層の初期環境から、存在していた可能性が高かったようです。

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　生命の材料や前駆物質の合成には、大きなエネルギーが継続的に供給されなければなりませんでした。冥王代の地球に、普通にあったもので、供給されなければなりません。
　従来のモデルでは中央海嶺の熱水噴出孔が生命の誕生の場でしたが、そこではエネルギーは足りませんでした。また、火山のマグマに由来する熱のエネルギーでは、できた化合物を速やかに、高温から低温の場に移動するメカニズムが必要なります。合成の繰り返しが必要ですが、地下水として循環しても、再度、高温になるで有機物は分解されてしまいます。
　そこで提案されたのが、天然の原子炉で合成するモデルでした。天然の原子炉というのは非常に唐突なものに思えます。天然の原子炉とは、どのようなものでしょうか。原子炉とはその名の通り、ウランの核分裂によって、高エネルギーを発するものです。
　天然の原子炉が存在する可能性は、1956年に指摘されていました。アフリカのガボン共和国のオクロにウラン鉱山がありました。産出する鉱石のウラン同位体組成に不思議な値をもったものが見つかりました。それは、核分裂を起こした結果だと、1972年に報告されました。理論と自然界で見つかった証拠から、天然の原子炉があったことが明らかになりました。
　シナリオは、次のようなものでした。20億年前は酸素が急増した時期でした。酸素が多くなると、水にウランが溶けて運ばれ、岩石中に濃集していき、鉱床ができます。ウラン濃集すると、核分裂が起こる条件に達します。地下水があると減速材となり核分裂が進みます。熱で水がなくなると反応が停止します。鉱床が冷えて、再度水が加わってくると、また核分裂が起こります。計算では30分の核分裂、その後2時間30分は休止というサイクルになったようです。
　でも、証拠は20億年前に一箇所だけ見つかっているだけで、冥王代に多数あったかどうかは不明です。本当にあったのでしょうか。
　太陽系の材料になった元素は、一つ前の恒星の超新星爆発で形成されたものです。ウランはその材料にあったものです。放射壊変は時間とともに進むので、放射性元素ウランは、冥王代がもっとも多くあったことになります。
　水のない冥王代に存在したマグマオーシャンや初期地殻の火成作用では、ウランはマグマの残液に濃集しやすく、ウランの多い鉱物として表層にあっていたと考えられます。また後期重爆撃の時に落下した隕鉄にもウラン鉱物が含まれています。後期重爆撃で冥王代の地球表層に水が供給されるとで、ウランの多い堆積物ができ濃集が進み、天然の原子炉が多数できる可能性がありました。
　原子炉であれば、温度より放出される放射線から大きなエネルギーが供給されます。生命合成に必要なエネルギーは、原子炉の周辺では臨界値（10^-2W/cm^2）から数100倍、原子炉の中心部では数1000倍に達します。これれらは放射線ですので、大きなエネルギーを与えたとしても、それほど高温になることはありません。
　地下に天然の原子炉があれば、エネルギー問題は解決できそうです。しかし、それだけでは、多様な合成条件を満たすことはできそうにありません。他にも、別の環境を考えなければなりません。

・黒田さん・
天然の原子炉が存在する可能性は、
研究者たちが理論的に指摘していました。
当時、アーカンソー大学の黒田和夫さんが、
1956年に報告していました。
その後、フランスの物理学者のペランが1972年に
オクロのウラン鉱山で天然の原子炉が
あったことが報告されました。
理論が先で、証拠があとでした。
黒田さんは「17億年前の原子炉―核宇宙化学の最前線」
という一般向けの本を書かれました。
以前読んだですが、手元になく
内容も忘れてしまいましたが。

・小さめのサイズ・
オクロのウラン鉱床では、
数cmから数mほどの天然原子炉でした。
小さな原子炉ですが、
稼働していたようです。
冥王代の原子炉はモデルでは
サイズは不明ですが、
小さめのサイズだと多数あれば、
生命の前駆物質の合成のために
いろいろな試行錯誤ができそうです。

2_212 生命誕生の条件 7：困難な条件

　後期重爆撃によって揮発成分や水が供給され、大気と海、そして陸ができました。生命誕生の材料や環境が整ってきました。しかし、それだけでは、生命の化学合成には進めませんでした。満たすべき条件が他にも必要でした。

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　後期重爆撃によって、小惑星帯より外側にあった天体から、地球に水や揮発性成分が供給されました。その結果、生命に必要な材料がそろって、ハビタブルトリニティが成立しました。そこから、生命の誕生に向けて、一気に進むはずですが、なかなかそうはいきません。
　まだ課題がありました。生命合成のためのエネルギー源と化学合成に必要な条件が多様である点です。
　エネルギー源についてですが、生命合成には大きなエネルギーが必要です。ここで用いたエネルギーとは、厳密にはエネルギー密度（W/cm^2）を意味します。冥王代で想定される太陽光、大きなエネルギーをもった紫外線でも足りませんでした。冥王代当時は、現在よりも強かったと考えられる放電や宇宙線でも足りそうもありませんでした。
　また、生命誕生の場として、これまで定説となっていた中央海嶺での熱水噴出孔でも、エネルギーは足りません。もちろん、現在の太陽エネルギーや放電、宇宙線でも、まったく不足しています。
　「ユリー・ミラーの実験」として有名な、最初に無機物から有機物を合成した実験では、初期の海洋を模した沸騰した水、雷を模した放電などをエネルギーとして用いました。その時、供給されていたエネルギーは、非常に大きなものでした。その値は、たまたまでしょうが、生命合成に必要なエネルギーの臨界値を、かろうじて超える値（10^-2～10^-1 W/cm^2）であったようです。どのようなエネルギー源を考えればいいかが問題となります。
　火山活動であれば、高温のマグマや高温の熱水もあり、エネルギーは足りそうです。しかし、そのとき注意すべき点があります。大きなエネルギーを与えたとしても、合成場の温度が100℃を超えるような状態になっていると、形成された有機物は分解されてしまいます。有機物を、温度を上げることなく合成するか、もしくは温度が高い場で合成されても、合成後すみやかに高温環境から出ていかなければなりません。火山活動では合成物が速やかに移動するメカニズムを組み込む必要があります。
　化学合成に必要な条件が多様である点につても、課題があることがわかってきました。合成の流れは、無機物から有機物前駆体、生命の構成分子、機能性高分子、そしてそれらが集まってひとつの生命となっていきます。それぞれの部分で、さまざまな化学反応が必要になりますが、その条件が非常に多様になものになります。
　それらを整理してまとめているある研究では、還元気相、アルカリ性 pH、凍結温度、淡水、乾燥/乾燥-湿性サイクル、高エネルギー反応との結合、水中での加熱-冷却サイクル、生命の構成要素と反応性栄養素の地球外から流入が必要だとしています。別の研究では、エネルギー源、リンやカリウムなどの栄養素の供給、生命の主要構成元素（C、H、O、N）の供給、濃縮還元ガス、乾湿循環、ナトリウムの乏しい水、きれいな湖沼環境、多様化した地表環境、循環性などにまとめられています。
　材料物質が揃っているという前提で、多様で複雑な合成条件が、適切な順番に働かなければなりません。通常の地球環境、あるいは想定される冥王代の環境で、達成できるかどうか心配になるほど、多様な条件と複雑なプロセスが必要になりそうです。多様な合成条件もエネルギーと同様に困難な課題となりそうです。
　どんなに困難な条件であったとしても、地球では達成されたため、生命が誕生して、存在していることになります。このような困難を、どうして解決していくのでしょうか。次回としましょう。

・野外調査の終了・
北海道は、晴れと曇りが繰り返される
はっきりしない天気が続いています。
野外調査は終わりました。
前回の野外調査は、悪天続きで
吹雪や積雪で十分にできませんでした。
しかし、今シーズンの野外調査は終了しました。
道内各地の調査は、
来年度に再度挑戦したいと思っています。

・腰痛・
腰痛が再発しています。
発生する原因は不明です。
サバティカルの間は、プールで泳いでいました。
しかし、帰札してからは、
通勤の7kmほどの歩行だけはしていますが、
しっかり筋肉を使う運動はしていません。
筋肉衰えてきているのかもしれません。
一度、整形外科にで見てもらおうと考えています。
しょっちゅう腰痛が発生するとなると
少々心配です。

2_211 生命誕生の条件 6：ABEL

　形成直後の地球は「ドライで裸」だったと推定されるようになってきました。地球は、形成時から現在の間には、大きな表層環境の変化があったようです。いつ、何が起こったのでしょうか。

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　月の表層にあるクレータ年代学から、月が形成されたあとに、激しい小天体の衝突があったことがわかってきました。クレータ形成年代は、43.7～42.0億年前に集中していました。約2億年弱ほどの期間に、激しい衝突がありました。月形成後の衝突だったため、「後期重爆撃」と呼ばれています。
　この小天体は、どこから来たのでしょうか。小惑星帯から木星や土星軌道あたりから飛来したと考えられています。その理由は、太陽系形成のモデルが更新されたことから考えられてきました。木星は太陽から離れたところで形成されたのです、形成直後に、太陽系の内側の地球軌道付近まで入ってきました。土星も続いて内側に入ってきます。2つの巨大天体が似た軌道に入ってくると、共鳴し合って、お互いの軌道が乱れて、両者が外に移動していきます。そして、今の軌道に落ち着きます。
　このような不思議な天体の移動や運動は、コンピュータによるシミュレーションでわかってきたものです。これまでの太陽系形成モデルでは、太陽系の外側の巨大惑星の成長が、非常にゆっくりとしたものになり、太陽系の惑星形成に期間に、現在の大きさには成長できそうもないという課題がありました。その課題が、木星と土星が移動するというモデルで、解消できるようになってきました。
　木星や土星が、現在位置に戻ると、小惑星帯から外側に多数あった小天体の軌道が乱されます。それらが太陽の引力に引っ張られて、内側に入り込み、地球や月に衝突してきたと考えれます。
　木星や土星の軌道でできた天体は、氷や揮発性成分を多く含んでいるものです。それらが月や地球に、2億年ほどの間に、多数衝突したことになります。小天体の衝突が、揮発成分をもたらしました。揮発成分は、地球の大気と海洋のもとになります。地球は十分に大きく、揮発成分を保持することできました。しかし、月は小さく引力も小さかったので、大気を保つことができませんでした。
　後期重爆撃によって、地球にはじめて海と大気ができたことになり、生物構成元素がそろうことになります。この小天体による元素供給を「生命構成元素の降臨」（ABEL：Advent of bio-elements bombardment）やレイトベニア（Late veneer）と呼んでいます。揮発成分のうち水蒸気は、やがて液体の水になり、海を形成します。海の誕生により、プレートテクトニクスも働きはじめ、大陸地殻ができています。その結果、ハビタブルトリニティが揃うことになります。
　生命の材料となる元素や成分はそろいましたが、次なる課題は、前に述べた生命の前駆物質や生命物質を合成するための多様な条件を、どう揃えていくのかがです。次回以降としましょう。

・予約配信・
先日まで野外調査にでていたので
このエッセイは予約配信としました。
北海道の山では、初雪はすでにあったのですが、
里ではまだ降っていません。
遠出をする時、途中に峠越えがあるときは、
スタットレスタイヤにいつ替えるかを
この時期にはいつも悩みます。
今年は、10月から野外調査にでていますので、
10月末の調査に備えて交換しました。
ですから、今回の調査での
峠越えの道でも安心していけます。
ただし、野外調査で雪があると
ほとんどデータが取れませんので
実質的な成果は乏しくなりますが。

・入試のシーズン・
大学は、入試のシーズンがすでにはじまっています。
9月以降、いくつもの種類の入試制度で
受験ができるようになっています。
受験生にとっては、いきたい大学や学部学科に
なんどもチャレンジできるのでいい制度です。
3月まで続くので、大学側の負担は多くなりますが、
入学生の確保が、多くの私立大学での
至上命題となっていますので、
仕方がありませんね。

2_210 生命誕生の条件 5：後期重爆撃

　過去の地球、それも形成直後の地球の姿を探るため、月の情報が役立ちそうです。月は地球についで、データや情報が多い天体なので、そこから過去の地球の姿が探求されています。

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　地球は「ドライで裸」の状態からスタートしたことは、前回紹介しました。現在の地球とは、あまりにもかけ離れた姿でした。これは、小惑星の構成岩石や原始太陽系における太陽からの距離による条件から想定された姿でした。
　現在の地球になるためには、どのような事件があったのでしょうか。まず、地球の衛星の月に着目します。月は、小さいため内部にあった熱は、すぐに放出されてしまっており、地質学的活動は初期に終わっています。また、大気や海洋がないので、侵食はありません。月を見れば、地球軌道上で起こった大きな天文現象の痕跡が残っており、読み取れるはずです。
　月の特徴として、常に同じ面を地球に向けています。地球側には、黒っぽく見える「海」と、白っぽく見える「高地」と呼ばれているところとがあります。裏側は高地ばかりが広がっています。海にはクレータが少なく、高地にはクレータが多くなっています。海は、大きなクレータの地形や形状をしています。天体の衝突クレータができ、そこをマグマが埋めて新しい大地が海となりました。そして、時間経過ととも、新たなクレータが形成されたよう見えます。
　アポロ計画で人類が月に降り立ち、各地の岩石を持ち帰っています。岩石があれば、その特徴や正確な年代を調べることができます。海のクレータの中の岩石は新しい玄武岩で、高地は岩石は古い斜長岩であることがわかってきました。
　大きな天体に小天体（隕石）が落下するとクレータが形成されます。もし、隕石の落下が一定の比率だったとすると、一定範囲のクレータの数（数密度と呼びます）と、その大地のできた時期が、相関することが想定されます。海の岩石の年代とその地域のクレータの数密度の相関関係がわかれば、それ以外の地域での形成年代が推定できます。クレータの数密度から大地の形成年代を見積もる方法をクレータ年代学と呼びます。
　大きなクレータの形成年代を見積もっていくと、一様ではなく、ばらつきがあることがわかってきました。ばらつきは,ある時期に集中的にクレータ形成が形成されたことを示していました。
　月が形成された少し後に、クレータが多数形成されたことになります。そのような現象は、小天体が多数落ちてきて、まるで重爆撃がおこったようなので、「後期重爆撃（LHB: late heavy bombardment）」、あるいは「月面激変」と呼んでいます。
　後期重爆撃が、地球の表層変化にどのような影響があったのでしょうか。次回としましょう。

・雪虫・
先週の晴れた日には雪虫が多くでていました。
雪虫は、白い綿のようなものを見つけているので
白い雪が舞っているように見えます。
北海道では雪虫が舞うと雪が近いといいます。
雪虫は飛んでいるのですが、
か弱くハラハラとしが飛びません。
そのため、歩いていると、人に衝突してしまいます。
顔についたり、目や口に入ったりします。
衣服についても離れないので
薄い色の上着やコートを来ていると
雪虫が目立ちます。
潰すとシミになるので、
注意して払わなければなりません。
しかし、雪虫の発生もほんの一時期なので
風物詩となるのでしょうかね。

・野外調査・
今週末から今シーズン最後の野外調査にでます。
雪がない地域として北海道の南部にしました。
渡島半島を一周して、もどってきます。
何度もでかけているところですが、
古い岩石からなる付加体、
新しい活火山もいくつかあるので
同時に見て回ります。
野外調査は、寒い時は大変になるのですが
最後なので楽しんでこようと思っています。

2_209 生命誕生の条件 4：E コンドライト

　生命の前駆物質を合成するためには、非常に多様な条件が必要でした。最近では、地球の材料にも新しい考えが登場してきました。その材料から考えられる初期地球は、今まで想像されたことのない姿でした。

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　生命誕生の条件には非常に多様なものがあり、ひとつの場での合成は不可能のようです。これまで、ひとつの材料、ひとつの場で生命を合成していくことを考えられてきましたが、それは難しいようです。次に、地球の材料と初期の環境が、これまで考えられていたものではなさそうだ、ということがわかってきたした。それを紹介していきましょう。
　これまで、地球の材料は、炭素質コンドライトだと考えられてきました。炭素質コンドライトには、中に大気の成分（二酸化炭素、窒素）、海の成分（H2O）、そして地殻・マントルになる岩石の成分、核の成分（金属鉄）など、すべてが含まれています。炭素質コンドライトが材料ならば、地球ができると考えられてきました。
　現在の太陽系では、地球に水が存在できますが、太陽系の形成時にも同じ条件だったのでしょうか。
　太陽系形成のころの条件を考えていくと、太陽の輝きが不安定で、かなり激しく輝く時期もありました。その証拠として、隕石のコンドライトがあります。コンドライトは、それまであった固体成分がすべて溶さかれています。その後、その後液滴として固まっり集まったものがコンドライトです。当初、太陽系を覆っていた原始太陽系ガスも、初期にすべて吹き飛ばされています。
　太陽の輝きが激しくなっていた時期、地球軌道は非常に温度が高かったときがあったと考えられます。
　現在の小惑星帯を見ていくと、炭素質コンドライトも多数存在しています。その軌道をみていくと、太陽に遠い側に炭素質コンドライトがあります。太陽に近づくと、H2Oを含まない隕石タイプになっていきます。小惑星帯で太陽にもっとも近い内側には、エンタタイト（頑火輝石）コンドライト（E コンドライトと略されています）が多くなっていることがわかります。E コンドライトは、H2Oをまったく含まない特異な隕石で、小惑星帯でも隕石でも稀なものです。
　以上のことから、冥王代の地球軌道には、H2Oや揮発成分を含んだ物質は存在できないと推定できます。地球軌道は、非常に乾いた（ドライ）な物質しかなかったと考えられます。地球軌道では、E コンドライトのような物質があり、それが材料になったのではないかと考えられてきました。
　そうなると、できたての地球には、海（水）も大気（二酸化炭素、窒素）もない「裸」の岩石惑星だったことになります。炭素質コンドライトであれば、地球のすべての素材があらかじめ揃っていたのですが、E コンドライトからできたとなると、「ドライで裸」の地球からのスタートとなります。
　そこから現在の、海と大気、生命のある地球になるのは、いくつもの事件が必要になりそうです。次回としましょう。

・E コンドライト・
E コンドライトは稀な隕石です。
小惑星帯は炭素質コンドライトが存在する環境で
E コンドライトはないところだったためでしょう。
E コンドライトは、エンタタイトと金属鉱物からできています。
エンタタイトは珪酸塩鉱物で
鉄含有量が少ないですが
鉄は金属や硫化物に含まれています。
この隕石は、非常に還元的で酸素の少ない条件で
形成されたことになります。
地球もそのような位置にあったと考えられます。

・道東の調査へ・
このエッセイは、週末から野外調査にでているので
予約配信をしています。
道東の山に入っていきます。
道東にたどり着く前には、
日高山脈を超える狩勝峠があります。
自動車道では、トンネルになっているため
雪の影響はかなりましになっています。
トンネルの前後には、長い上り下りの道があります。
積雪があれば、冬タイヤでないとだめでしょう。
もちろん冬タイヤにしてでかけます。