地球史の常識が覆る？古代の海に溶けていた炭素は、予想のわずか1%だった
はるか昔、私たちの惑星で氷河期が訪れ、複雑な生命が誕生した背景には、一体何があったのでしょうか。科学者たちは長年、その答えの一つが「古代の広大な海に蓄えられた、膨大な量の有機炭素」にあると考えてきました。しかし、もしその大前提が、全くの間違いだったとしたら？
スイス連邦工科大学チューリッヒ校（ETH Zurich）の研究者たちが、太古の海の記憶を宿す小さな石の粒を分析し、これまでの定説を根底から覆す驚くべき発見をしました。
「この結果は、これまでの全ての仮説と矛盾します」と研究者は語ります。地球の歴史を書き換えるかもしれない、小さな粒に秘められた壮大な物語を紐解いていきましょう。
主なポイント
ETHチューリッヒの研究者たちは、10億年前から5億4100万年前にかけての氷河期や複雑な生命の出現に、海洋に存在する膨大な溶存有機炭素の貯蔵庫が寄与したという従来の仮説を覆しました。
科学者たちは、酸化鉄の粒子を分析する新しい手法を応用し、当時の海洋の溶存有機炭素量を史上初めて直接測定することに成功しました。
測定の結果、当時の海洋における溶存有機炭素の量は、現在よりも90%から99%も少なかったに違いないことが示されました。
これらの発見は、生態学的および生物地球化学的な進化がどのように関連しているかについて、新たな説明を求めるものとなります。
地球科学者たちは、地球の歴史を研究する際にしばしば大きな課題に直面します。多くの重要な出来事はあまりにも遠い過去に起こったため、直接的な証拠がほとんど残っていないからです。そのため、研究者は間接的な手がかりやコンピューターモデルに頼ることが多くなります。しかし、ETHチューリッヒのジョードン・ヘミングウェイ博士（Jordon Hemingway, PhD）が率いるチームは、この時代のユニークな自然の証人を発見しました。それは、原始の海の炭素貯蔵量を直接測定するために利用できる、卵形の微小な酸化鉄の石です。
外から見ると、これらの石は砂粒のように見えますが、「オーイド」と呼ばれるこれらの石の形成過程は、雪玉を転がすのに似ています。波によって海底を転がされるうちに、層を重ねて成長していくのです。その過程で、有機炭素分子が付着し、結晶構造の一部となります。
これらの不純物を調べることで、ヘミングウェイ博士のチームは、最大で16億5000万年前にまで遡り、海中の有機炭素の供給量を追跡することに成功しました。科学誌『Nature』で研究者たちが示したのは、10億年前から5億4100万年前までの間、この貯蔵庫はこれまで想定されていたよりもはるかに小さかったという事実です。これらの発見は、当時の重要な地球化学的および生物学的出来事に関する一般的な説明を覆し、地球の歴史に新たな光を当てるものです。このオープンアクセスのNature論文は、「The Geologic History of Marine Dissolved Organic Carbon from Iron Oxides（酸化鉄から探る海洋溶存有機炭素の地質学的歴史）」と題されています。
生命の構成要素の貯蔵庫としての海
炭素はどのようにして海に入るのでしょうか？一つには、大気中の二酸化炭素が海水に溶け込み、混合プロセスや海流によって深海へ運ばれ、長期間保持されます。もう一つは、植物プランクトンや特定のバクテリアのような光合成生物によって有機炭素が生産されます。これらの微生物は、太陽光のエネルギーとCO2を利用して、自ら有機炭素化合物を生成します。生物が死ぬと、マリンスノーとしてゆっくりと海底に向かって沈んでいきます。途中で他の生物に食べられることなく海底に到達すれば、その炭素は何百万年もの間、海底に貯蔵されます。
しかし、炭素成分を供給するのは植物プランクトンだけではありません。生命の構成要素は再利用もされます。微生物が排泄物や死んだ生物を分解することで、構成要素が再び放出されるのです。これらの分子は、溶存有機炭素として知られるものを形成し、海中を自由に漂います。これは、実際に海洋生物に「組み込まれている」炭素の200倍もの量を含む、巨大な構成要素の貯蔵庫です。
酸素革命がすべてを変えた
海洋堆積岩の異常に基づき、研究者たちは、この構成要素の貯蔵庫が10億年前から5億4100万年前の間に特に巨大であったに違いないと仮定していました。長い間、この仮定は、氷河期と複雑な生命が同時期に出現した経緯を説明するための基盤として機能してきました。生命の構成要素の光合成による生産は、大気とより複雑な生命体の発達と密接に関連しています。光合成を通じて初めて、酸素が大気中に蓄積し始めたのです。
「酸素大放出イベント」と呼ばれる2度の波で、酸素含有量は現在の21%のレベルまで上昇しました。どちらの出来事も、地球全体を氷河で覆う極端な氷河期を伴いました。それにもかかわらず、生命は新たな発明を試み続けました。24億年前から21億年前にかけての最初の酸素大放出イベントの間に、生物は酸素の助けを借りて食物をエネルギーに変換する代謝を発達させました。この非常に効率的なエネルギー生成方法が、より複雑な生命体の発達を可能にしたのです。
想定をはるかに下回る炭素量
ヘミングウェイ博士のチームは、こうした地球化学的および生物学的発達の間の関連性を追跡しています。研究者たちは、オーイド内の炭素粒子に基づいて、特定の時代の海洋の構成要素貯蔵庫の大きさを直接決定できる新しい方法を開発しました。
「私たちの結果は、これまでの全ての仮説と矛盾します」とヘミングウェイ博士は要約します。ETHの研究者たちによる測定によれば、10億年前から5億4100万年前の間、海洋には現在よりも多いどころか、実際には90%から99%も少ない溶存有機炭素しか含まれていませんでした。2度目の酸素大放出イベントの後になって初めて、その値は現在の6600億トンの炭素レベルまで上昇したのです。
「氷河期、複雑な生命、そして酸素の増加がどのように関連しているかについて、私たちは新たな説明を必要としています」と筆頭著者のニール・ガリリ博士（Nir Galili, PhD）は言います。彼は、炭素貯蔵庫のこの大規模な縮小を、当時出現したより大きな生物の存在で説明しています。単細胞生物や初期の多細胞生物は、死後より速く沈み、それによってマリンスノーの量を増加させたのです。
しかし、海洋の深層部には酸素がほとんどなかったため、炭素粒子はリサイクルされませんでした。それらは海底に堆積し、溶存有機炭素の貯蔵庫が急激に減少する原因となりました。深海に酸素が蓄積して初めて、炭素の貯蔵庫は現在の量まで回復したのです。
原始の海から現代へ
調査された時代は遠い過去のものですが、この研究成果は未来にとって重要です。それは、地球上、そしておそらくは太陽系外惑星での生命がどのように発達してきたかについての私たちの見方を変えるものです。同時に、この発見は、地球がかく乱にどう応答するかを理解するのに役立ちます。そして、人類もまたそうしたかく乱の一つです。人間活動によって引き起こされる海洋の温暖化と汚染は、現在、海洋の酸素レベルの低下につながっています。その結果、記述された出来事が遠い未来に繰り返される可能性は排除できません。
画像：卵形の酸化鉄石の断面：これはタイムカプセルのように、数百万年前の海中の有機炭素量に関する情報を保持している。(Image: Nir Galili /ETH Zurich)
