地球の進化、生命の誕生、環境の変化

はい、colorful beansです。

前回の記事「約46億年前の地球の誕生。」の続編。
地球上への生命の誕生、進化、滅亡など地球の歴史を詳しく解説していくブログです。

前回のあらすじ

地球の誕生: 地球は約46億年前、太陽系の一部として形成されました。太陽の周囲にあった原始惑星円盤から、地球を形成する材料が集まりました。この材料は岩石や金属からなり、重力の作用で地球を形成しました。

マグマ噴火: 地球が形成される過程で、内部は非常に熱かったため、マグマが地下に存在しました。地球の内部からの熱と圧力により、マグマは地上に噴出し、火山活動や溶岩の流れ

大気の形成: 地球の初期の大気は、火山活動によって放出されたガスから形成されました。この大気は主に水蒸気、二酸化炭素、窒素、メタンなどの成分から構成されていました。の表面はまだ固体だったので、大気中の水蒸気は冷やされて凝結し、液体の水が形成されました。

海洋の形成
生命の起源
プロカリオートとは？
魚類の誕生
地球上に大量の酸素が発生
カンブリア紀
原始の地球でのエネルギーと生命への影響
地球のエネルギー
後書き

海洋の形成

地球が誕生してから約46億年前、地球の表面は岩石が溶けたマグマの海で覆われていました。また、蒸気や窒素、二酸化炭素などのガスでできた原始大気が空を覆っていました。

やがて、地球の温度が急に下がってくると、原始大気の中に含まれていた水蒸気が雨となり、地上に降り注ぐようになりました。地球全体が大雨の時代となりました。雨が地表を冷やし、地表が冷えると原始大気が冷えてさらに雨が降ったので、年間の雨量は10mを超える、すさまじい大雨だったと考えられます。

この大雨が1,000年近くも続き、現在の海の元となる原始の海が生まれたのです。

原始の海は雨に溶けた塩酸なども流れ込んだので、最初は酸性で、とても生物の住める環境ではなかったようです。酸性の海水はその後、地表のカルシウム、鉄、ナトリウムなどを徐々に溶かし、現在のような中性の海水（塩っ辛い）になっていきました。海は今、およそ43億歳と考えられています。

生命の起源

地球上で生命が初めて誕生したのは約38億年前だとされています。
この証拠となる岩石が2013年に北西グリーンランドのイスアという地域で発見されました。
地球最初の生命は約40億年前に深海の熱水噴出孔付近で生まれたと考えられています。
最初の生物も含め、初期の生物は、体が一つの細胞の小さな単細胞生物だった。

10億年前ごろになると、体がたくさんの細胞からできた多細胞生物が出現し、6億年前ごろには海の中に動物が姿を現した。その中のあるグループが魚類、両生類、爬虫類、哺乳類へと進化して、現在の私たちがいる。今、地球上にいるすべての生物の共通の祖先は、約35億年前にいた通称「ルカ（LUCA）」と呼ばれる単細胞生物だと考えられています。

地球上の最初の生物は、深海底で熱水を吹き出す「熱水噴出孔」のような場所で誕生した単細胞生物である「微生物」が始まりです。脊椎のない「無脊椎動物」が生まれます。時を経て5億4000万年前「カンブリア紀」になると、生物は海の中で目覚ましい進化をとげ、生命の始まりである魚類の始祖「脊索動物」が生まれることになります。

多細胞生物の出現は、生物進化の過程の最大のジャンプといわれるように、最初の単細胞生物誕生から多細胞生物が誕生するまで約20億年以上、真核生物誕生からでも実に数億年という長い時間を要しました。

プロカリオートとは？

プロカリオート（prokaryote）とは、細胞内にDNAを包む核（細胞核）を持たない生物のことです。
また、ミトコンドリアや葉緑体といった膜構造をもつ細胞小器官を持たず、すべて単細胞生物です。
真核生物と対をなす分類で、性質の異なる細菌（バクテリア）と古細菌（アーキア）の2つの生物を含んでいます。

プロカリオート（原核生物）は、最も初期の生命形態の一つであり、真核細胞の前身となる単細胞生物です。核質を持たず、核酸が細胞内に直接存在しています。

プロカリオートは、約38億年前の地球上に現れて考えられています。この時期は、地球が比較的安定し、生命が生存できる環境が整った時期でした。生物として環境中の有機物や化学エネルギーを利用して生存し、増殖しました。

プロカリオートの特徴的な形態は、細胞内に複数の内部膜を持たず、核膜も欠いていることです。そのため、細胞内部の遺伝子情報は、細胞質内の核領域に存在しています。また、プロカリオートは細胞壁を持ち、一部の種では外部に鞭毛や繊毛を持つこともあります。

プロカリオートは、非常に広範な生物群を含んでいます。最も有名なグループは、細菌です。細菌は、プロカリオートの中でも最も多様で豊富なグループであり、地球上のほとんどの環境に存在しています。細菌は、光合成や嫌気呼吸など、さまざまな代謝経路を持ち、独自の生存戦略を発展させてきました。

プロカリオートの出現は、生命の進化における重要なステップであり、真核生物の進化とも関連しています。真核細胞の核膜や内部膜が発達し、複雑な細胞構造が形成される過程プロカリオートの出現は、生命の多様性と進化の基盤となり、地球上の生態系や生物圏の形成に大きな影響を与えるしました。

魚類の誕生

最初の魚類として言われているのが中国で発見された脊索を備える、体長６センチほどの小さな生物「ピカイア」です。元々、この生物は「最古の脊索生物」と言われており、僕たちの祖先と言われていたのですが、後に、ロガリアなどの魚類の化石も発見されたことから、「生物の祖先」ではないとされています。しかし、最も古い魚類であることは間違いありません。

カンブリア大爆発から8000万年後の4億6000年前。地球についに初めての魚が誕生することになります。「アランダスピス」古生代オルドビス紀中期に誕生したその魚は、体長15cm程で頭は硬質で覆われており、鰭と顎はありませんでした。藻類やプランクトンを泥ごと捕食しており早く泳ぐ事が出来なかったため当時の生態系の頂点、体長5mを超える巨体を持つオウムガイから逃げるように生活していました。

地球上に大量の酸素が発生

地球上で最初の大規模な酸素の発生と放出が起こった時期があります。以下に、酸素の大量発生について詳しく解説します。

酸素の起源: 酸素の起源約は主に光合成によるものです。最初の生命形態は光合成を行わず、酸素を放出しなかったと考えられています。と呼ばれる細菌が出現しました。シアノバクテリアは水中で光合成を行い、酸素を発生させる能力を持っていました。これが酸素の最初の生産源となりました。
酸素の限界: 光合成によって酸素が産生されると、最初は周囲の鉄と反応して鉄鉱石として沈殿し、大気中の酸素濃度はほとんど増加しませんでした。と、酸素は大気中に漏れ出し始めました。酸素はまた、大気中のメタンとも反応して温室効果ガスを減少させ、地球の気候に変化をもたらしました。
生物の影響: 酸素による一時環境の変化は、生物にも大きな影響を与えました。酸素は、従来の嫌気的な生物にとっては毒性がありました。酸素を利用することでより効率的なエネルギー生産が可能になりました。これにより、より高い生命体の進化が促進されました。
生物の進化: 酸素の大量発生は、生物の進化に重要な役割を果たしました。酸素に適応した生物が増加し、多細胞生物が進化し始めました。酸素を利用することで、より効率的なものエネルギー生産が可能となり、生物の体サイズや複雑さが増大しました。酸素は細胞内での代謝活動にも重要であり、細胞の機能やエネルギー生産において大きな影響を与えました。
オゾン層の形成: 酸素の一時化により、大気中にオゾン（O3）が生成され、オゾン層が形成されました。オゾン層は高エネルギーの紫外線を吸収する役割を持ち、地球上の生体を紫外線から保護しました。
紫外線の吸収と保護: オゾン層は、大気中のオゾン（O3）によって形成されます。、オゾン層は地表に到達する紫外線の一部を吸収し、生物や地球の表面を紫外線から保護します。紫外線はDNAやタンパク質などの生物分子を捉える可能性があり、オゾン層による保護は生命体の健康と生存は重要です。
細菌や植物の生存と進化: 紫外線の吸収による保護は、細菌や植物などの生物にとって特に重要です。これにより、彼らは陸上や水中などの環境で紫外線から守られ、生存と繁殖が可能となりました特に陸上植物は、陸地における酸素生成と生態系の発展に大きな役割を果たしました。オゾン層の形成により、陸上植物が陸地を占有することが可能となり、陸上生態系の多様性と複雑性が向上しました。

カンブリア紀

カンブリア紀は、地質時代の区分の一つで、約5億4200万年前から約4億8830万年前までとされる。この時代は、地球上のほぼ全てを覆い尽くす海洋が形成され、海中では様々な種類に至る海洋生物が現れ、中でも三葉虫等の節足動物が繁栄し、藻類が発達した。

カンブリア紀は、動物門のほとんどすべてが出現したと考えられ、この時代に動物の多様性が一気に増大した可能性がある。これをカンブリア爆発と呼ぶ。

カンブリア紀は、地質学者アダム・セジウィックによって命名されました。彼は、この時代の岩石が発見および研究された最初の地であるウェールズのラテン語名「カンブリア」から命名しました。

カンブリア紀においては、先カンブリア時代に形成された海洋が地球上のほぼ全てを覆い尽くしました。海中では様々な種類に至る海洋生物が現れ、中でも三葉虫等の節足動物が繁栄し、藻類が発達しました。これ以前の時代からは化石がほとんど得られなかったことから、化石に頼って時代区分を行っていた頃にはこの時代までしか区分ができなかった。そのため、カンブリア紀が従来はもっとも古い名前の付いた区分であり、それより古い地層はカンブリア紀以前というしかなかったのが、「先カンブリア時代」の名の由来である。

カンブリア紀における生物相の多様性がよく知られるようになったのはバージェス動物群の発見以来であり、特に20世紀末の見直しでその内容がそれまでの想像を超えることが明らかとなりました。現在の生物と比べ、非常に奇異な姿をした生物が多く見られ、この時期の生物群を総称して「カンブリアンモンスター」とも呼ばれます。

原始の地球でのエネルギーと生命への影響

地球上の生命誕生には、多種多様な生命構成単位（building blocks of life; BBLs）を合成するための強力な外部エネルギーが必要でした。太陽エネルギーは化学進化を駆動するには弱すぎるうえ、夜間のエネルギー供給はゼロであるため、他のエネルギー源が必要でした。その有力な候補の一つが、冥王代地球表層に普遍的に存在していたと考えられる自然原子炉であるとされています。自然原子炉起源のウランの崩壊熱と電離放射線は前駆的化学進化において重要な役割を担います。電離放射線のように、十分な活性化エネルギーがコンスタントに確保されると、無機分子からより複雑な有機分子が合成されます。こうした反応は、太陽光やマグマ由来の熱では到底不可能です。つまり、生命誕生へ向けた最初のプロセスは電離放射線が駆動したと考えられます。

雷もまた、生命誕生において重要な役割を果たした可能性があります。ある研究によれば、原始地球上で十分な量のリンをもたらし、生命の誕生を後押ししたのは雷だったのかもしれません。リンは、細胞構造やDNAとRNAの二重らせん構造などを形作る、生命にとって極めて重要な構成要素です。数十億年前の原始地球では、リンの大半は不溶性の鉱物中に閉じ込められていました。しかし、鉱物の一種「シュライバーサイト」は反応性が高く、有機分子を形成可能なリンを生成します。地球にあるシュライバーサイトの大半は隕石（いんせき）に由来しているため、地球上での生命誕生は地球外の岩石の飛来に関係していると長年考えられてきました。しかし、ある一部の粘土質土壌への落雷によって形成されるガラス状の物質にも、シュライバーサイトは含まれます。米国と英国の研究者らは今回、最先端の画像技術を用いて、落雷1回でリンの供給源となるシュライバーサイトがどれだけ形成されるか調べました。

米国と英国の研究者らは、最先端の画像技術を用いて、落雷1回でリンの供給源となるシュライバーサイトがどれだけ形成されるか調べました。彼らの研究によれば、落雷によって生成されたリンの量は年間0.11～11トンに上った可能性があるとの考えに至りました。原始地球の気候をシミュレートした結果、45億年前に月が形成されて以降は隕石の衝突が減少し、その後の10億年で、落雷によるリンの生成量が隕石を上回ったと研究チームは説明しています。これは、生命誕生の時期と一致します。

落雷によるリンの生成が生命誕生に影響を与えた可能性があります。ある研究によれば、原始地球上で十分な量のリンをもたらし、生命の誕生を後押ししたのは雷だったのかもしれません。リンは、細胞構造やDNAとRNAの二重らせん構造などを形作る、生命にとって極めて重要な構成要素です。

地球のエネルギー

こういったエネルギーは生命誕生への影響だけでなく、地球自体（地表など）にも影響を与えます。

雷は大気中に起こる自然現象であり、通常、雷雲内部で発生します。雷雲は通常、上部が正に帯電し、下部が負けに帯電しています。この帯電状態は、水蒸気の凝結や雨滴これにより、雷雲内部で電荷の分離が発生し、大量の電気エネルギーが発生します。

雷は、電場の強い領域にある電荷差が大きく放電することで発生します。電場が強い領域では、電荷の分離が非常に大きくなり、絶縁体である空気中の電気抵抗を突破するその結果、大気中を高速で移動する電子の流れ（電流）が発生し、空気中の分子を励起させ、電子の移動によってエネルギーが放出されます。これが雷光として観測される現象です。

地熱活動は地球内部の熱エネルギーの移動や放出のことを向き、地球内部からの熱エネルギーが地表や大供給されます。地熱エネルギーの主な起源は、地球内部の放射性崩壊や地殻のプレートテクトニクスに関連しています。

地球内部では、地球の本来的な熱エネルギーがまだ残っており、岩石や金属の崩壊過程によって熱が発生します。また、地球の内部では放射性元素（ウラン、トリウム、カリウムなど）が崩壊し、これらの熱エネルギーは地球の内部で発散され、地下に存在するマグマヤ地熱水のような形で表面に供給されます。

地熱活動は、火山活動や間欠泉、地熱発電など様々な形態で観測されます。地球の地殻の隙間や断層育ち、熱エネルギーが地表や大いに供給されます。火山活動では、マグマが地表に噴出します。間欠泉では、地下水が地表に噴出し、温泉や間欠泉として現れます。地熱発電では、地下の高温水や蒸気を利用してタービンを回し、発電を行います。

地熱エネルギーは、地球の内部からの持続的な熱供給源として重要です。特に地球の内部での放射性崩壊は非常に当面持続し、地熱エネルギーの供給を維持しています。ガス効果の排出を削減し、持続可能なエネルギー源として利用される可能性があります。

このように、雷や地熱活動は、電気的なエネルギー供給源として重要な役割を果たしています。雷は大気中の電気の放電によりエネルギーが放出され、地熱活動は地球内部からの熱エネルギーがこれらの自然現象は、地球上の生物や環境への影響を考慮するだけでなく、私たちが利用するエネルギー源としても重要な存在です。

後書き

地球の形成から始まり、約46億年前に太陽系の一部として誕生した地球は、最初はマグマ噴火や地殻形成などの激しい地球活動が活発に行われる過程を経ました。最初の海洋は水蒸気が集まって生まれ、地球上での化学反応や地殻活動により成分が豊富になりました。

地球の表面が安定し、海洋が形成されると、最初の生命体が現れました。約38億年前には、単細胞生物として初めての生命体が誕生し、地球上に認められていきました。この初期の生命体は、簡単な構造を持ち、細胞膜に包まれた化学反応を行い、生きていました。

生命の進化は進んでいき、約30億年前には光合成を行っているシアノバクテリアと呼ばれる細菌が現れました。シアノバクテリアは光合成によって酸素を発生させ、最初の酸素源が供給されました。
地球上の酸素濃度が徐々に増加し、約25億年前から約22億年前にかけて酸素の大量発生（Great Oxygenation Event）が終わった。

酸素の大量発生は、大気中の酸素濃度の増加やオゾン層の形成をもたらしました。オゾン層は紫外線を吸収し、地球上の生物を紫外線から保護する役割を果たしました。生物の代謝活動や進化に大きな影響を与え、生物の多様性と複雑性の進化を問いました。

以上が地球の原初から生命の誕生までのまとめです。地球上の生命の起源と進化は、地球の環境変化や生物相の多様化による相互作用の結果であり、地球と生命の歴史を豊かに彩っています。