地球上の鉱物のほぼ半分は生命によって作られている

地球の地質が生命に与える影響は、生物が砂漠、山、森林、海洋など、実に様々な環境に適応していることからも容易に見て取れます。しかし、生命が地質に及ぼす影響の全体像は、見落とされがちです。

地球上の鉱物に関する包括的な新たな調査によって、この見落としが修正されました。その調査結果の中には、鉱物の多様性の約半分が生物とその副産物の直接的または間接的な結果であるという証拠が含まれています。これは、地球の複雑な地質史を解明しようとする科学者、そしてこの地球外生命の証拠を探している科学者にとって貴重な知見をもたらす可能性のある発見です。

7月1日にAmerican Mineralogist誌に掲載された2本の論文の中で、ロバート・ヘイゼン、ショーナ・モリソン両氏とその共同研究者らは、鉱物を分類するための新たな分類体系を概説している。この体系は、鉱物の外観だけでなく、その形成過程にも重点を置いている。この体系は、地球の地質学的発達と生命の進化が互いに影響し合っていることを認識している。

数千の科学論文をアルゴリズムで分析した彼らの新しい分類法は、10,500種類以上の鉱物を認識しています。これは、鉱物の結晶構造と化学組成のみに焦点を当てた国際鉱物学会の従来の分類法における約5,800種類の鉱物「種」のほぼ2倍に相当します。

「これは200年以上も使われてきた分類システムであり、私が育ち、学び、研究し、信じてきたものです」と、ワシントンD.C.のカーネギー研究所の鉱物学者、ヘイゼン氏は述べた。彼にとって、鉱物の構造だけに固執する分類法は、長年、大きな欠陥のように思われてきた。

2008年、モリソンは既知の鉱物のあらゆる種に関する文献を掘り下げ、それらの形成過程に関するデータを探し始めた。2013年にカーネギー研究所でヘイゼンと共同研究を始めたモリソンは、「このプロジェクトは取り組むには途方もない課題でした」と語る。多くの鉱物種が複数の異なるプロセスを経て生成することが判明したため、データはすぐに曖昧になった。

例えば、黄鉄鉱の結晶（通称「愚者の金」）を考えてみましょう。「黄鉄鉱は21通りの根本的に異なる方法で形成されます」とヘイゼン氏は言います。ある結晶は、塩化物に富む鉄鉱床が地下深くで何百万年もかけて加熱されて形成されます。また、冷たい海底堆積物の中で、海底の有機物を分解するバクテリアの副産物として形成されるものもあります。さらに、火山活動、地下水の浸透、炭鉱と関連しているものもあります。

「これらの黄鉄鉱の種類はそれぞれ、地球やその起源、生命、そして時間の経過とともにどのように変化してきたかについて、それぞれ異なることを教えてくれます」とヘイゼン氏は語った。

そのため、新しい論文では鉱物を「種類」で分類しています。ヘイゼン氏とモリソン氏は、この用語を鉱物種とその起源メカニズムの組み合わせ（火山性黄鉄鉱と微生物性黄鉄鉱など）と定義しています。彼らは機械学習分析を用いて数千の科学論文のデータを精査し、10,556種類の鉱物を特定しました。

モリソンとヘイゼンは、既知の鉱物すべてを単独で、あるいは組み合わせて形成した57のプロセスを特定しました。これらのプロセスには、様々な種類の風化、化学沈殿、マントル内部の変成作用、落雷、放射線、酸化、地球形成期の巨大衝突、さらには惑星形成前の星間空間における凝縮などが含まれます。彼らは、地球上の鉱物の多様性における最大の要因は水であり、水は様々な化学的・物理的プロセスを通じて、鉱物の80%以上を生成するのに役立っていることを確認しました。

しかし、彼らは生命が重要な役割を果たしていることも発見した。全鉱物の3分の1は、骨片、歯、サンゴ、腎臓結石（いずれもミネラル含有量が豊富）や、排泄物、木材、微生物マット、その他の有機物など、生物の一部または副産物としてのみ形成される。これらは地質学的に長い時間をかけて周囲の元素を吸収し、岩石のようなものに変化する。数千種類の鉱物は、工業用石炭火力で生成されるゲルマニウム化合物のように、他の方法で生命活動によって形成される。光合成で生成される酸素など、生命の副産物との相互作用によって生成される物質を含めると、全鉱物の約半分に生命の痕跡が残っている。

歴史的に、科学者たちは「地球化学と生化学の間に人為的な線引きをしてきた」と、オハイオ州アクロン大学のバイオミネラリゼーション専門家で、今回の研究には関与していないニタ・サハイ氏は述べている。実際には、動物、植物、鉱物の境界ははるかに流動的である。例えば、人体は重量の約2%がミネラルで、そのほとんどは歯や骨を強化するリン酸カルシウムの骨格に閉じ込められている。

鉱物学が生物学といかに深く絡み合っているかは、地球科学者にとってはそれほど驚くべきことではないかもしれないが、モリソンとヘイゼンの新しい分類法は「それをうまく体系化し、より幅広いコミュニティにとってアクセスしやすくした」とサハイ氏は述べた。

新しい鉱物分類法は、一部の科学者に歓迎されるだろう。（「以前の分類法はひどかった」と、アパラチア州立大学の鉱物学研究者サラ・カーマイケル氏は述べた。）一方、ユタ大学の科学哲学者カルロス・グレイ・サンタナ氏のように、鉱物の進化の性質を考慮していないとしても、IMAシステムを支持する科学者もいる。「それは問題ではありません」と彼は述べた。IMA分類法は化学、鉱業、工学といった応用目的のために開発されたものであり、今でもこれらの分野で見事に機能しているからだ。「私たちの実用的なニーズにうまく応えてくれるのです」

しかし、宇宙探査などの活動によって、科学者のニーズも変化しています。ヘイゼン氏とモリソン氏の研究結果から示唆されることの一つは、水に満たされ生命を持つ私たちの惑星は、太陽系の他の岩石天体よりもはるかに鉱物の多様性に富んでいる可能性が高いということです。「火星では到底形成できない鉱物がたくさんあります」とヘイゼン氏は言います。「粘土鉱物に糞をするペンギンも、洞窟にコウモリも、腐りかけているサボテンも、そういったものは火星には存在しません。」

それでも、ヘイゼン氏とモリソン氏は、この分類法が将来、他の惑星や衛星の地質史を解明し、過去あるいは現在における生命の痕跡を探すために活用されることを期待しています。例えば、火星の結晶を調べる際に、研究者たちはこの新しい鉱物学的枠組みを用いて、粒径や構造欠陥といった特徴に注目し、それが死にゆく海や隕石の衝突ではなく、古代の微生物によって生成された可能性を判断できるかもしれません。

ヘイゼン氏は、この新しい分類法が、遠く離れた恒星の周りの惑星における生命の発見にも役立つ可能性があると考えています。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡などの高度な観測機器で検出された太陽系外惑星からの光を分析し、その大気の化学組成を特定することができます。測定可能な酸素含有量、水蒸気の有無、相対的な炭素濃度などのデータに基づいて、研究者は光年離れた場所でどのような鉱物が形成される可能性が高いかを予測することができます。

カリフォルニア大学リバーサイド校の宇宙生物学チームに所属する生物地球化学者のティモシー・ライオンズ氏は、結果を確認するために「実際にそれらの惑星に行って鉱物を採取するわけではない」ため、この方法論は行き過ぎかもしれないと考えている。しかし、彼はヘイゼン氏とモリソン氏の分類法が、月や火星で発見された地球外鉱物の研究にとって重要な知見をもたらす可能性があると考えている。

「私たちは、地球だけでなく太陽系全体、そしておそらくは太陽系を超えた領域まで、実に広範囲に渡って理解を深めています」とモリソン氏は述べた。「本当に素晴らしいことです。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。