全球凍結

070400210　医学部医学科　加納麻弓子

はじめに

私は今まで地球が太陽系のどの惑星に比べても生命にとって最適な環境であり、このような安定した環境が過去から続き、また未来も変わらないものだと思っていた。しかし、長い地球の歴史を見てみると、地球環境は必ずしも常に生命の生存に適していたわけではなかったことがわかる。最近になって、地球はかつてその表面が完全に凍りつくような極端な寒冷化を何度も経験してきたのではないか、と考えられるようになってきた。これが「全球凍結」「スノーボールアース」仮説である。北極や南極だけでなく、赤道にも及ぶ地球表面全体が氷に覆われるなどという状態は私たちにとって想像を絶することである。それは私たちの祖先にあたる太古の生命に壊滅的な打撃を与えたのではないだろうか。どうやって生命はこの過酷な環境を生き延びたのだろうか。今回のレポートでは、全球凍結の発生機構やその終焉の理由、さらに生物の生存を可能にした理由などについてどのような説が提唱されているのか調べてみたいと思う。

◇原生代と呼ばれる時代には，ヒューロニアン氷河期(約24-22億年前)，スターチアン氷河期(約7億6千万年〜7億年前)，マリノアン(またはヴァランガー)氷河期(約6億2千万年前〜5億5千万年前)などの氷河期が存在したことが以前から知られていた。そして最新の研究によって、これらの氷河期には当時の赤道域にまで氷床が及んでいたという事実が明らかになり、この時期地球は全球凍結の状態にあったらしいことがわかってきた。

全球凍結現象とは

　全球が凍結してしまった地球とはどのような状態なのか。スーパーコンピューターを使って、全球凍結下の地球の気象（気温、降水量など）をシミュレーションによって再現できるという。まず気温について。現代の地球の平均気温は15℃である。しかし全球凍結の時、北極や南極ではマイナス90℃、赤道付近でもマイナス50℃ほどしかなかった。赤道直下までが凍りついたのである。白い氷は太陽から届くエネルギーの60％あまりをそのまま反射してしまうため、地表に熱が供給されず、気温が上がらないのだ。次に降水量について。全球凍結では雨や雪がほとんど降らないことがわかっている。海面が氷に覆われているために水蒸気の蒸発がほとんど起きず、雲がほとんどできないためだ。最後に氷の厚さについてだが、全球凍結の時はあらゆる大陸の上に熱さ3000ｍ級の氷が載った。さらにすべての海が、なんと深さ1000ｍまで凍ってしまうという計算結果が出ている。

しかもこのような全球凍結状態は、一時的なものではなかった。数百万年から数千万年もの間続いたのだ。

全球凍結の証拠

◇古地磁気測定

古地磁気測定とは一体どのようなものなのであろうか。地球はそれ自体が巨大な磁石である。液体の鉄が地球の中心核内部で対流することによって、地球磁場は形成されている。ある種の鉱物は地球磁場の影響を受けるという性質を持っている。このような磁性鉱物は堆積物中で生成されたり、別の場所で生成されて海底に堆積したりすると、堆積時の地球磁場と同じ方向に向くという性質を持つ。例えば、磁性鉱物が赤道で形成されると磁場の方向は水平となり、極で形成されると垂直になる。古地磁気学者たちは高感度磁力計を用いて岩石中に含まれる磁性鉱物の磁場の向きを測定し、岩石が形成された当時の古緯度を決定するのである。

カリフォルニア工科大学のジョセフ・カーシュビンク博士はこの古地磁気測定を用いて、南アフリカにある22億年前の氷河期の地層がその当時、赤道にかなり近い（緯度11度）ことを発見した。赤道付近の地域が凍りついていたという証拠が見つかったということは、地球がすべて凍結したこと、すなわち全球凍結があったことを意味している。

◇ポール・ホフマン博士の論文

ハーバード大学の地質学教授であるポール・ホフマン博士は全球凍結の証拠となるものをいくつも発見し、1998年５月、アメリカ地質学会の学術誌「GSA TODAY」にその報告を掲載し、大きな注目を集めた。ホフマン博士が見つけた証拠の内容は次のようである。

⑴ナミビアの迷子石

氷河は一年間で数メートルというゆっくりとしたスピードで内陸から海岸方向へと動いている。その動きによって山などから岩が削りとられ、長い距離を運ばれる。やがて氷河が溶けるとその岩は海の中に落ち、長い年月が経過すると地層の中に埋め込まれる形となる。これが迷子石と呼ばれる岩だ。迷子石の存在によってその地層が氷河期のものだとわかる。ホフマン博士は南アフリカにあるナミビアにおいて、全球凍結があったとされる８億〜６億年前頃の地層から巨大な迷子石を発見した。全球凍結の証拠とされる迷子石の多くは直径10〜30ｃｍくらいである。それに対して、博士の発見したものは直径１ｍほどもあったのだ。

⑵氷河期における生物生産活動の停止の証拠

自然界に存在する物質に含まれる炭素同位体比は少しずつ異なっている。とくに無機的につくられた（火山活動など）物質と生物が関与してつくられた有機物で炭素同位体比が系統的に異なっており、炭素同位体比から生物活動によってつくられたものと無機的につくられたものを区別できるのである。

ホフマン博士らは、ナミビア北部のオタビ地域に見られるスターチアン氷河期の堆積物を詳しく調査した結果、炭素同位体比の異常な挙動を発見した。氷河期の前にいったん生物生産性の炭素の埋没率が上昇したものの、氷河期直前からそれが低下しはじめ、さらに炭素同位体比がマントル起源炭素（火成活動によって海洋へ流入した炭素）の持つ値に漸近し、氷河期終了後もしばらく低い値のまま回復しなかったことが明らかになったのだ。これは、氷河期には全地球規模で海洋の生物活動がほぼ完全に停止したことを示唆する。

⑶キャップカーボネート

　ホフマン博士が調査した岩山の一つに全球凍結の証拠といえる地層が発見された。氷河期を示す地層の上に、厚さ50メートルもの分厚い炭酸カルシウムの地層が載っていたのだ。これは何を意味するのか。炭酸カルシウムはカルシウムと二酸化炭素が反応してできた物質だ。

全球凍結の期間中、大気中にたまりにたまった二酸化炭素が、全球凍結が終わり、海面を覆っていた氷が溶けたときに一気に海中のカルシウムと反応したものだとホフマン博士は考えている。

全球凍結の原因

全球が凍りつく原因はなんだろう。

現在の地球環境が温暖に保たれているのに重要な役割を果たしているのが、実は二酸化炭素である。太陽からの距離だけを考慮すると、地球の平均気温はおよそマイナス20℃と計算される。二酸化炭素などの温室効果ガスのおかげで地球は暖かいのである。そしてこの二酸化炭素は長期的にみれば火山活動によって安定に供給されている。（前ページの図は地球規模の炭素循環の概念図）

では、もし火山活動が著しく衰えたら、どうなるか。地球は寒冷化し、氷床が発達していくだろう。先ほど述べたように、白い氷は太陽から届く光の大部分を反射する。その結果、地球はいっそう寒冷化し、さらに氷床が発達する。つまり、地球の寒冷化に歯止めがかからなくなるのだ。こうなると、地球は暴走的に寒冷化し、全球凍結状態に陥ることになる可能性は十分ある。しかし実際に、火山活動の衰えがおきたのかどうかは現在まだわかっていない。

　一方で、約24-22億年前の全球凍結は１ミリにも満たない小さな生物によって引き起こされたという説もある。それはこの頃の地球環境が二酸化炭素の温室効果だけに依存していたわけではなかったとみる考え方である。以下この説について述べることにする。

約24-22億年前の全球凍結が起きる前の地球の大気にはまだ酸素はほとんど含まれていなかった。代わりに、強力な温室効果を発揮するメタンが大量に存在していた。メタンには二酸化炭素の２０倍もの温室効果作用があるとされている。当時の海にはたくさんのメタン菌が暮らしており、大量のメタンを発生させていた。また、火山からも大量のメタンが大気に供給されていた。そこに、酸素非発生型光合成細菌同士の間で偶然遺伝子の組み換えが起こり、酸素を発生する光合成細菌、シアノバクテリア（右図）が出現した。シアノバクテリアが放出する酸素はやがて大気に蓄積されて、メタンと反応する。結果的にメタンによる温室効果が失われるため、地球の気温は急激に低下し、氷床が発達して全球凍結状態に陥ったのである。

生命はどうやって生き延びたか

まず、全球凍結の時代にはどのような生物が生きていたのか。

約24-22億年前の全球凍結のころ、地球上には細菌などの微生物しかいなかった。こうした細菌の大部分が海の中で暮らしており、すでに光合成を基盤とする生態系に組み込まれていたと考えられている。　　　　　　　　　　また、約7億6千万年〜7億年前や約6億2千万年前〜5億5千万年前の全球凍結の前は、細菌より複雑で大型の（数ミクロン〜数ミリ程度）真核生物が地球の主役だった。この頃も、生物の大部分が海の中に暮らしており、現在もいる藻類のような生物が光合成を営み、それが生態系を支えていたと考えられている。

したがって、いずれの全球凍結の時代にも、生物は海の中で、光合成生物の行う有機物に依存して暮らしていたと考えられるのだ。しかし、全球凍結では海洋が深さ1000ｍまで凍りつく。水中で太陽の光が届くのはせいぜい水深３００ｍまでだ。光合成生物は光が届く範囲で生存することは不可能なのである。

ところが、生命は誕生以来、断絶することなく現在まで生き延びてきたとされている。つまり、生命は全球凍結の間も生存していたのだ。しかも光合成生物までが全球凍結を生き延びたらしい。

では、いったいどうやって生き延びたのだろうか。詳しいことはわかっていないが、候補のひとつとして考えられているのが、地熱地帯だ。全球凍結の間、地球の表面は完全に凍結してしまったが、地球内部は活動を続けていた。もし火山活動が続いていたのなら、火口付近では熱によりぽっかりと氷に穴が開いていて温泉あったに違いない。このような場所で、微生物たちは数百万年から数千万年もの間続いた全球凍結を生き延びたのである。これは、例えば現在のアイスランドの氷河地帯を見てみればよくわかる。氷河地帯のところどころに火山の噴出口が存在し、大量の火山ガスと水蒸気を噴き出している。このような噴出口の周りだけは分厚い氷も溶け、地面がむき出しになっていて温泉が現れる。温泉からは熱水が湧き出ているが、中にはシアノバクテリアが集合体を成して生息しているのだ。

全球凍結からの脱出

カーシュビンク博士は全球凍結脱出の方法として次のような提案をしている。

　全球凍結の間も火山は活発に活動し、二酸化炭素を含む火山ガスが大気中に放出された。通常、二酸化炭素は海水に溶け込み、海水中のカルシウムイオンなどと化合して炭酸カルシウムを生成する。ところが、全球凍結では海水面が厚い氷で覆われているため、二酸化炭素は溶け込めず、大気中にどんどん蓄積していった。カーシュビンク博士が行ったシミュレーションによれば、全球が凍結してから7000万年後には大気中の二酸化炭素は0.6気圧（現在のおよそ1500倍）にもなったと推定されている。そして、この大量の二酸化炭素の温室効果によって地球の気温が上昇し始め、やがて氷が溶け始めた。むき出しになった大地や海洋は太陽光を吸収しやすく、急速に地球の温暖化が促進された。気温は最高で５０℃を超えたとさえ言われている。

生物の巨大化

最後の全球凍結の後（約６億年前）、地球史上かつてなかったほどの大型生物が出現した。全球凍結の前までは、地球上には最大でも長さ数十センチのヒモのような単純な生物がいるだけで、大部分は肉眼で見えないくらいの小さな微生物であった。この大型生物は発見地の一つであるオーストラリアの地名を取ってエディアカラ生物群と名付けられている。現在、エディアカラ生物群の化石はオーストラリアやロシアなど世界各地で発見されている。（右図はエディアカラ生物群の化石の写真）

エディアカラ生物群は１００種類を超え、大きいもので１メートル以上あった。単純な構造だけでなく、複雑な構造を持つものもいたようだ。また、活発ではないだろうが、動き回っていた生物もいたらしいことがわかっている。そしてエディアカラ生物群は５億４３００万年前のカンブリア爆発の直前に絶滅したと言われていたが、最近になってエディアカラ生物群とカンブリア紀の生物をつなぐような化石も見つかっており、エディアカラ生物群は我々の祖先であるという可能性も出てきている。ともかく、最後の全球凍結が終わったあと、海洋ではエディアカラ生物群の楽園が広がっていたのである。

エディアカラ生物群の想像図

　また、約24-22億年前の全球凍結と同じころ、真核生物が出現した。真核生物は明瞭な核をもつ生物であるが、この真核生物の出現は生命の歴史にとって大変大きな躍進であった。生命が誕生したのは38〜40億年前のことであるが、それからおよそ20億年もの間、核を持たない原核生物しか存在していなかった。真核生物の体積は原核生物の１０００倍もあり、さまざまな細胞小器官を持ち構造もかなり複雑である。

　このように生命の歴史において重大な意味を持つ真核生物の出現と大型多細胞生物の出現はどちらも全球凍結のタイミングと奇妙にも一致している。研究者の中には、全球凍結が生命の巨大化を促進したのではという意見を持つ人もいる。

全球凍結と生物の巨大化

カーシュビンク博士は全球凍結が酸素の大量発生をもたらしたと考えている。

南アフリカのカラハリ地方には世界最大級の鉄の鉱山とマンガンの鉱山が連なっている。この大量の鉄やマンガンが積もったのは今からおよそ２２億年前、つまり、全球凍結の直後であったのだ。また、世界の鉄の埋蔵量の５０％が２２億年前の全球凍結の前後に堆積し、２０％が６億年前の全球凍結の前後に堆積したという。マンガンについても、大規模なマンガン鉱山のマンガンが堆積したのは２２億年前、あるいは６億年前の全球凍結の前後に堆積していた。鉄やマンガンは酸素と反応してそれぞれ酸化鉄、酸化マンガンという酸化物になってはじめて堆積する。すなわち、大量の鉄やマンガンが堆積するためには大気中に大量の酸素が必要なのである。

カーシュビンク博士はさらに、全球凍結を終わらせた極度の温暖化によって酸素発生型の光合成生物が大繁殖し、その結果、酸素が大気中に大量に放出されたのではとも考えている。温暖化によって地球の平均気温が５０℃にも達すると、ハリケーンや竜巻など大きな気象変動が起こるとされている。海は大時化となり、海水が激しく攪拌され、深海のミネラル分が浅い海にも供給される。光の届く浅い海に生息する光合成生物はそのミネラル分は栄養にして、盛んに光合成を行い、酸素を大量に放出したと考えられるのだ。

生物は酸素を用いた呼吸、すなわち好気呼吸では酸素を使わない嫌気呼吸にくらべて２０倍ものエネルギーを獲得できる。大量のエネルギーを使うことで体の巨大化あるいは複雑化が可能になったと博士は考えている。

Banded-iron formation (Photo courtesy of P. Hoffman)

おわりに

私は今回全球凍結について調べてみて、全球凍結とそれに続く生物巨大化の関係を特に興味深く思った。２２億年前の全球凍結が起きる前まで、私たちの祖先である原核生物は誕生から２０億年もの間、見かけ上ほとんど進化してこなかった。また、６億年前の全球凍結が起きる前までは、私たちの祖先はわずか数ミリくらいの微生物にすぎなかった。このような事実をみてみると、全球凍結は単に生命を絶滅に追い込むくらいの危機的状況であった、で片付けられないなにか重要な意味を持っている気がする。私は生物の進化とは、遺伝子の突然変異や自然淘汰による選択によって徐々に進んでいくものだと理解していた。つまり、進化は生物の間で繰り広げられる競争の結果なのだと思っていたのである。しかし、今回、生物の進化を考えるとき生物だけを見るのではなく、「地球環境」という視点を持つことを学んだ。地球環境が常に生物に安定した進化の場を与えていて、生物はその中で互いに競争しあって進化が進んでいくとは限らず、全球凍結のように生物に甚大な被害を及ぼすような過酷な地球環境も存在するのである。そして、このような地球環境の変貌が生物にまさに躍進的な進化をもたらしたことを忘れてはならないと思った。

また、全球凍結という２２億年、あるいは６億年前という、想像もできないくらいの過去の出来事を知るというのはわくわくさせられることも多いが、大変な努力も要るのだと思った。私が調べてきた中に出てきた科学者たちは化石や地層を調べる地道なフィールドワークから、スーパーコンピューターでのシミュレーション、さらにいくつかのエビデンスと思考力を用いて論理を立てていくなど様々な方法で遠い過去への探求を進めており、今回その一部でも知ることができてとても興味深かった。

参考文献

・　地球大進化２　全球凍結　　　　　　　NHK「地球大進化」プロジェクト編

・　The Snowball Earth by Paul F. Hoffman and Daniel P. Schrag

　　　　　http://www-eps.harvard.edu/people/faculty/hoffman/snowball_paper.html

・ NHK地球大進化　番組案内　http://www.nhk.or.jp/daishinka/program02.html

・ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ　ＡＭＥＲＩＣＡＮ　　http://www.pbs.org/saf/1103/features/deepfreeze.htm

・ 岐阜大学教育学部　　http://chigaku.ed.gifu-u.ac.jp/chigakuhp/dem/tec/index.html

・ The Ediacaran Assemblage　　http://www.peripatus.gen.nz/paleontology/Ediacara.html

・ Iceland 2002 http://www.wideview.it/travel/iceland_2002/en_2.htm

・ http://earth.usc.edu/~geol150/evolution/precambrian2.html

画像の出典

・ ２ページhttp://www.nhk.or.jp/daishinka/program02.html

・ ３ページhttp://faculty.riohondo.edu/mforrest/geology/iceage.html

・ ４ページは上の図http://faculty.riohondo.edu/mforrest/geology/iceage.html　下の図がhttp://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/kling/carbon_cycle/carbon_cycle_new.html

・ ５ページhttp://210.227.47.57/treasure/calender/06/ec0601_r.html

・ 6ページ上図http://www.eldey.de/Fehlerseiten/error404.html

・ ６ページ下図http://www.peripatus.gen.nz/paleontology/Ediacara.html

・ ７ページhttp://chigaku.ed.gifu-u.ac.jp/chigakuhp/dem/tec/history/ediacara.html

・ ８ページhttp://earth.usc.edu/~geol150/evolution/precambrian2.html