地球初期の大気中の酸素についての議論に決着をつけるための研究

地球初期の大気中の酸素についての議論に決着をつけるための研究地球
40億年前から25億年前までのアルケアン期の地球の姿を描いた想像図。©Peter Sawyer/Smithsonian Institution

地球初期の大気中にどれくらいの酸素分子が存在していたのかについては、長い間、議論されてきました。

今から約24億年前、酸素が増加して地球の大気や生物圏が変化し、私たちのような生命が誕生しました。

この変化は「大酸化イベント」と呼ばれています。

しかし、それ以前の大気中の酸素量はどのくらいだったのでしょうか?

アリゾナ州立大学の博士課程に在籍していたAleisha Johnson氏を中心とした科学者チームは、大酸化イベントの舞台がどのようにして作られたのか、その謎を解明しようとしています。

Johnson氏のチームは、コンピュータモデルを使って、大規模な酸化イベントの前に地球の表面にどのくらいの酸素が存在していたかを明らかにし、それが初期の地球上の生命にとってどのような意味を持つかを調べました。

「私たちは皆、酸素を吸っており、それが可能な唯一の惑星に住んでいるのです。」とJohnson氏は言います。

本研究の成果は、Science Advances誌に掲載されました。

長年の謎

地球の岩石記録を研究している地球科学者たちは、地球の初期の大気について、一見矛盾した証拠を発見してきました。

一方で、大規模な酸化イベントの後に見つかった酸素の「指紋」は、それ以前にはほとんど見当たらず、一部の科学者は酸素が存在しなかったと主張しています。

しかし、最近の発見では、酸素が存在すると活発に反応する一般的な鉱物が少なくともある程度分解されていたことや、酸素が存在すると河川や海に蓄積されるモリブデンなどの化学元素が少なくともある程度海に供給されていたことが示唆されているといいます。

これらの矛盾した証拠が、長年の謎を生み出しています。

現在、シカゴ大学で全米科学財団の博士研究員をしているJohnson氏は、「証拠は矛盾しているように見えましたが、何か説明があるはずだと思っていました。」と語ります。

Johnson氏のチームは、この謎を解くために、モリブデンの環境化学、少量の酸素を含む鉱物の反応、他の研究者が行った古代の堆積岩中のモリブデン存在量の測定結果などを用いて、24億年前以前の地球の大気中で可能だった酸素レベルの範囲を把握するコンピュータモデルを作成しました。

アルケアン期の地球上での酸素生成に関する創発的見解。

アルケアン期の地球上での酸素生成に関する創発的見解。地球の大気中に酸素が充満する前は、浅い海や土壌で酸素が生成されていた可能性があります。微生物群集に近接した浅い土壌(図中の緑色)には、大気とは異なり酸素が存在していた可能性がある。その結果、頁岩中のモリブデンの濃縮などの風化徴候は、大酸化イベント以前のものとなった。©Johnson et al./ASU

Johnson氏は、「このコンピュータモデルは、岩石の記録に見られる化学反応を起こすために、実際にどれだけの酸素が必要かを定量化するのに役立ちます。」と語ります。

研究チームが発見したのは、モリブデンの証拠を説明するのに必要な酸素の量は非常に少なく、他の指紋はあまり残らないだろうということでした。

研究の共著者であるアリゾナ州立大学(ASU)の地球・宇宙探査と分子科学の教授であるAriel Anbar氏は、「『証拠がないことは、ないことの証拠ではない』という古い言葉があります。これまで、大規模な酸化イベントの前に酸素が存在しなかったという考えは、ほとんどが証拠がないことによって形成されていました。今回の発見は、酸素が存在していたと考える根拠となりました。ただし、以前に検出されたよりも低いレベルです。」と述べています。

今回の発見は、大規模な酸化イベントのはるか以前から、おそらく生物学的に酸素が生成されていたことを示唆する他の証拠を裏付けるものです。

このことは、地球の歴史上最も重要な変化の1つを引き起こした地球システムの変化を解明するための科学者たちの研究に役立ちます。

「私たちは、古代の大気中の酸素に関する制約が、大規模な酸化イベントの原因と性質の解明に役立つことを期待しています。しかし、これは地球の歴史に限ったことではありません。他の星の周りにある地球のような世界を探査する際には、私たちのような酸素を多く含む大気が一般的なのか、それとも稀なのかを知りたいのです。今回の研究は、地球以外の惑星に生命体が存在するかどうかの調査にも役立ちます。」とJohnson氏は語っています。

本研究の他の著者は、ウッズホール海洋研究所のChadlin Ostrander氏、テネシー大学のStephen Romaniello氏、ジョージア工科大学のChristopher Reinhard氏、オークリッジ国立研究所のAllison Greaney氏、カリフォルニア大学リバーサイド校のTimothy Lyons氏です。

Published by Arizona State University. Aleisha C. Johnson et al, Reconciling evidence of oxidative weathering and atmospheric anoxia on Archean Earth, Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abj0108
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