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東京大学大気海洋研究所
徳山英一
地球の進化と生命
-なぜ地球に海があるのか
-いつどのように海ができたのか
-生命の誕生
-原始大気から酸化的大気へ
-全地球凍結
-過去100万年の気候変動
私達は特異な存在か？
D’oú venons nous? Que sommes nous? Oú allons nous?
Earth: from Apollo 17 (NASA,1972)
地球初期の歴史：地質時代区分
Ａｒｃｈｅａｎ
始生代（太古代）
Ｈａｄｅａｎ
冥王代
(Press, Understanding Earth, 2003）
地球の歴史46億年
(Press, Understanding Earth, 2003）
地球最古の証拠：ジルコン
• 最古の鉱物粒子
– オーストラリア西部：ジャック・ヒル地域
– ジルコン粒子が礫岩中に発見される
– ４４億年前（U-Pb年代）
• ジルコンZrSiO4
– 風化変質に強い
– 花崗岩など火成岩を構成する＝地殻形成開始
– 酸素同位対比から液体の水との相互作用＝海の存在
地球の特性
•
•
•
•
•
「海」の存在
生命の存在
大気中に多量の酸素が存在
プレートテクトニクスの存在
プルームテクトニクスの存在
なぜ地球に
海があるのか
太陽系と地球型惑星
(ＮＡＳＡ）
海がある理由
Ｖｅｎｕｓ
Ｅａｒｔｈ
Ｍａｒｓ
Ｄｉｓｔａｎｃｅ
108 ×106 150×106 228×106
From the Sun [km]
Surface Temp [°C] 460
15
-60
Surface Press [atm] 100
1
0.01
Major Atmospheric
comp
N2,O2
CO2,N2,Ar
CO2,N2
火星：地表浅いところの氷
2001 Mars Odyssey
(ＮＡＳＡ）
地球上の水の分布
海洋
1.4×109 km3
湖沼
2.5×105 km3
河川・地下水
2.5×105 km3
氷山・氷塊
2.3×107 km3
水蒸気
1.3×104 km3
蒸発（降水）
1.5×105 km3/year
(日本海洋学会編、海と地球環境、1991）
いつどのように
海ができたのか
地球の歴史46億年
(Press, Understanding Earth, 2003）
地球初期の歴史：海の誕生
• 微惑星の衝突速度増（地球半径2000km；6370km)
– 脱ガスによる原始大気の形成
• 衝突による開放エネルギー大
– 地表の温度上昇（大気による保温もあり）
– マグマオーシャンの形成
• 衝突頻度の減少
– 大気の温度下がる＝雲ができる
• さらに衝突減少して温度低下
– 液体の水が増えて海洋を形成（地球最初の雨？）
海の存在の証拠：最古の堆積層
• 雨が降り、岩石を浸食して、
それが海に運ばれて「堆積」
する
• 最古の堆積岩
– ３８億年前の礫岩
– グリーンランド・イスア地方
枕状溶岩も含まれる（海底噴火
＝海の存在を示唆）
(Mojziss and Ｍａｒｋ, 2000）
緑：始生代の岩石
ハワイ島の溶岩流
枕状溶岩-海底への溶岩の噴出-
pillow lava
Mid-Atlantic Ridge: FAMOUS area
photos taken by submersible dive
ところで、これまで見つかっている
地球最古の年齢の岩石・鉱物は？
• 最古の鉱物粒子
– オーストラリア西部：ジャック・ヒル地域
– ジルコン粒子が礫岩中に発見される
– ４４億年前（U-Pb年代）
• ジルコンZrSiO4
– 風化変質に強い
– 花崗岩など火成岩を構成する＝地殻形成開始
– 酸素同位対比から液体の水との相互作用＝海の存在
生命の誕生
地球の歴史46億年
(Press, Understanding Earth, 2003）
生命の誕生と海
• ミラーの実験（1953）
– 水素、メタン、アンモニアからアミノ酸を合成
– 実際の原始大気は水素濃度低い
• 化学進化による生命起源論
– 単純な有機物から複雑な高分子、タンパク質や核酸
の生成、そして細胞膜内でのシステムの形成
• オパーリンは「原始海洋のスープで生命が発生」
といったが….
熱水噴出孔
(JAMSTEC, courtesy of Dr. Takai）
初期生命を育んだ環境
数値は最適生息温度
(山岸明彦1997にもとづく：川上紳一）
系統樹の元にあるものは
高温環境を好む
4月15日
原始大気から酸化的大気へ
海と大気の進化：stage1
大気（還元的）
海洋表層（還元的）
海洋深層（還元的）
• 大気も海洋も酸素に乏
しい
• シアノバクテリアによっ
て部分的に酸素濃度が
高まった表層もある
• 海洋で縞状鉄鉱床
（BIF)が形成
• 陸上に赤色砂岩はない
シアノバクテリア
シアノバクテリアは藻類の仲間といわれてきたが，真核
生物の他の藻類とはちがって，細胞内に核がない原核
生物（バクテリア）．バクテリアの仲間といっても，他のバ
クテリアとちがって葉緑素（クロロフィル）をもち光合成を
する．
数十億年前から地球上に生息していたことでも知られ
ている．太古の地球では海洋の浅瀬でこのシアノバクテ
リアが現在の珊瑚礁のようなコロニーをつくり，大繁殖し
ていた可能性が指摘されている．ストロマトライトとよば
れる化石がそれにあたる．シアノバクテリアは光合成に
よって少しずつ酸素を大気に排出 し，現在の大気を作
り上げたと考えられている．
オーストラリア西部
ハメリンプール
（高塩分濃度）
化石として出現する
ストロマトライト
（カナダ）
(富山科学文化センター）
縞状鉄鉱床
• Banded Iron Formation (BIF)
• 鉄分に富む鉱物からなる層と珪酸からできた層の
繰り返し
• 水に溶けた二価鉄イオンFe2+がシアノバクテリア
の光合成で生み出された酸素と結びついて沈殿
• 鉄イオンが海中に溶解するためには無酸素状態
（還元的）な海が必要
• 38-19億年前に形成（大規模形成は27億年前頃）
◎一般には、水にとけた二価鉄がシアノバクテリアの光合成によって生み出さ
れた酸素と結びついてできると考える
（スペリオル型、大規模に大陸棚（浅い海）で形成）
◎鉄は陸からくるか、海底火山に由来すると考えられる
大陸棚の場合は、火山から遠いので、イオン（酸化鉄にならない）の状態で
運ばれてくる必要がある（運ばれている過程では酸素がない、還元的な海
が必要）
大陸棚にきてはじめて酸素があって（ここでは酸素があることが必要）酸化
沈殿。
すなわち、だいたい還元的で一部で酸化的という状態が必要
◎27億年前頃から大規模に大陸棚で形成されるようになるが、それ以前は
小規模にだけ出る（アルゴマ型）
◎一方炭酸塩岩が続成作用により酸化した可能性もある、詳細不明
海と大気の進化：stage2
大気（酸化的）
海洋表層（酸化的）
海洋深層（還元的）
• シアノバクテリアの光合
成によって大気と海洋
表層が酸化的に
• 海洋で縞状鉄鉱床
（BIF)が形成
• 陸上で赤色砂岩が形成
• 22-19億年前？？？
海と大気の進化：stage３
大気（酸化的）
海洋表層（酸化的）
海洋深層（酸化的）
• 大気も海洋も酸化的、
現在に至る
• 海洋で縞状鉄鉱床
（BIF)の形成はない
• 陸上で赤色砂岩が形成
全地球凍結
地球表面温度(気温）
のコントロール
黒体放射について
黒体；反射がおこらず表面に入射した太陽の光をすべて一度吸収し、後から惑星赤外線に変えて再放射する性質
の天体(地球の場合は太陽光線の約３３％を空間に反射している）
物質の温度が高くなると放射エネルギーの量も急激に増加する。
例えば、6000Kの物体では300Kの物体に比較し1億倍である。放射量が最大になる波長は、表面温度が6000Kの
星では可視域、300Kの惑星では赤外域、宇宙の背景放射に相当する3Kではマイクロ波の領域である。
地球の黒体温度；5℃
反射冷却；－25 ℃
⇒－20 ℃(この場合は水はすべて氷）
しかし、3個以上の原子が結びついた分子が
大気に含まれている場合（水、二酸化炭素、メ
タンガス、亜酸化窒素）、赤外光を吸収
；温室効果
地球から飛散していく光の吸収特性
地球から飛散していく光の特性
極低温地球環境
地球の安定な気候状態
地表温度の変化
地球史における氷河期
迷子石の分布
ギャレン・ハルバーソン博士とナミビアの迷子石
氷河性堆積物
全地球凍結が引き起こす
生物の進化
地球の歴史46億年
(Press, Understanding Earth, 2003）
エディアカラ生物群
カンブリア爆発に関する二つの対立する考え
過去100万年の気候変動
過去1億年の地球の温度変化を見てみると
18000年前の氷河期の最大氷河域
と現在の極氷域
ミランコビッチ説 1
近日点：
太陽の周りを公転する惑星などで太陽に最も近づく位置
ミランコビッチ説２
ミランコビッチ説３
ミランコビッチ日射曲線と
イベルの氷河時代区分との比較
Milankovitch 1930 より
氷河時代に関するミランコビッチ説
夏期放射量が過去100万年に亘ってどのくらい変化したかを理論的に求めた。
彼は放射曲線上で明らかに低い位置の点は、ヨーロッパにおける4回の氷期に対応すると述べている。
（ 注；放射量の変化は相当する緯度に換算して表した。例えば北緯65°で59万年前に受けた放射量は北緯72°で
現在受けている放射量に相当する。）
氷期-間氷期の地球環境変動
Fin
D’oú venons nous?
Que sommes nous?
Oú allons nous?