古代の岩石が地球のプレートテクトニクスの始まりを明らかにする

2021年3月28日午前8時

地球の表面が約32億年前に分裂したことを示す新たなデータは、プレートの移動が複雑な生命の進化をどのように促したかを明らかにするのに役立つ。

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2016年、地球化学者のジョナス・トゥッシュ氏とカーステン・ミュンカー氏はオーストラリアの奥地で1000ポンドの岩石をハンマーで打ち上げ、ドイツのケルンに空輸した。

5年間の切断、粉砕、溶解、分析を経て、研究者たちはそれらの岩石から、何億年もの間隠されていた秘密、つまりプレートテクトニクスが始まった時代を解明した。

地球は、硬く絡み合ったプレートが分裂した殻のような構造をしており、太陽系において特異な存在です。科学者たちは、これを地球の他の特徴、例えば安定した大気、保護的な磁場、そして複雑な生物の群れといったものと結びつける傾向が強まっています。しかし、地質学者たちは、地球の地殻がプレートに分裂した正確な時期について長年議論を重ねてきました。地球の45億年の歴史の最初の10億年から、最後の10億年まで、様々な説が対立しています。これらの推定は、プレートテクトニクスが地球上の他のすべてのものに及ぼす影響について、大きく異なる意味合いを持っています。

プレートの広がり、衝突、そして沈み込みは、単に地形を形作るだけではありません。地球の表面が循環することで気候が調整され、大陸や山脈の形成によって生態系に不可欠な栄養素が供給されます。実際、プレートテクトニクスは、もし十分に早い時期に始まっていたならば、複雑な生命の進化の主要な原動力であった可能性があります。そして、ひいては、プレートの移動は、遠く離れた惑星における高度な生命の前提条件でもある可能性があります。

オーストラリアのアデレード大学の地質学者アラン・コリンズ氏によると、トゥッシュ氏、ミュンカー氏、そして共著者らによるオーストラリア奥地の岩石に関する研究論文は、米国科学アカデミー紀要（Proceedings of the National Academy of Sciences）に掲載され、プレートテクトニクスの到来を「捉えたスナップショット」だと述べている。研究チームによる岩石中のタングステン同位体の分析は、地球が約32億年前にプレートテクトニクスへの移行期にあったことを示している。

オックスフォード大学の岩石学者リチャード・ペイリン氏は、今回の発見は、過去10年間に蓄積されてきた、その年代を示唆する他の状況証拠を裏付けるものだと述べた。「プレートテクトニクスが地球規模で確立したのは約30億年前であるという、地質学界で高まりつつあるコンセンサスを裏付けるものだ」とペイリン氏は述べた。

「非常に多様な人々が、非常に異なる視点から、32～30億年という結論に至っています」とコリンズ氏は語った。

地球のエンジン

地質学者アルフレッド・ヴェーゲナーが1912年に大陸移動説を初めて提唱したとき、同僚のほとんどはそれを突飛な考えだと考えた。巨大な陸塊がどうして動くのか？ヴェーゲナーは大陸移動の駆動力となるメカニズムを特定できなかった。そして実際、地質学者たちが地球のマントル（地殻と核の間にある厚い高温の岩石層）内の対流がどのようにして地表のプレートを移動させているのかを解明するには、さらに50年を要した。彼らは最終的に、これらのプレート（15個の主要プレートと数十個の小型プレート）が中央海嶺で広がり、マントルの流れに沿って移動し、縁で互いに擦れ合い、「沈み込み帯」でマントルに再び沈み込むことを明らかにした。

「プレートテクトニクスは、地表の動きを非常に体系的に示しています」と、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の地球物理学者、カロライナ・リスゴー＝バーテロニ氏は述べた。「そうすれば、地震があるところに地震が起きる理由、山があるところに山がある理由が理解できるのです。」

それから数十年を経て、科学者たちは地球の大気、磁場、安定した気候、そして生物多様性はすべてプレートテクトニクスと関連していることに気づき始めました。「それが地球の現在の仕組みを形作っているのです」とリスゴー＝バーテロニ氏は言います。

まず、プレートテクトニクスは、太陽が徐々に明るくなるにもかかわらず、地球が数十億年にわたって居住可能な気候を維持するのを助けてきました。私たちのゴルディロックス気候は、主に大気中の二酸化炭素とケイ酸塩鉱物との化学反応によって生じています。この反応は、温室効果ガスを堆積物に埋没させることで、大気中の二酸化炭素濃度をゆっくりと低下させます。このケイ酸塩鉱物と二酸化炭素の反応のほとんどは、プレートの衝突によって形成された山脈の斜面で起こっています。

さらに、マントル、地殻、海洋、大気圏の間で物質が循環することで、生命にとって不可欠な元素が継続的に供給されています。プレートテクトニクスによってマントルは微細化され、リンなどの元素が大陸地殻として地表に蓄積されます。これらの元素は、山々が風化して海に流れ込む際に、海水中の生命を養います。そして大陸自体も、新たな種にとって太陽の光が降り注ぐ土地となっています。

同様に重要なのは、マントル対流によって地球の核から熱が放出され、核が磁場を生成するのを助けていることです。この磁場は宇宙空間まで広がり、太陽嵐による大気の浸食から守られています。

しかし、地球の幼少期は違っていました。

放射性崩壊によって初期の地球内部は現在よりもはるかに高温になり、地殻は軟弱でした。科学者たちは何十年もの間、核がいつ冷えて地殻が硬化し、プレートが動き始め、分裂し、衝突し、沈み込み始めたのかを議論してきました。この運命的な転換がいつ起こったのかを知ることで、「生命の進化における特定の変化の原因、現在のシステムへの到達方法、そして地球が今日どのように機能しているかをより深く理解できる」とリズゴー＝バーテロニ氏は述べています。

困難な記録

地球の形成期を解明するのは容易ではありません。数十億年前の岩石は希少であるだけでなく、時間と地殻変動によって歪められており、断片的で誤解を招く可能性のある過去の姿を垣間見せてくれます。

プレートテクトニクスは少なくとも40億年前から作用していたと主張する科学者もいる。彼らは、沈み込み帯で生成された現代の岩石と化学的性質が類似する、40億年前の微小な結晶を根拠にしている。しかし、他の研究者は、それらの結晶は別の方法で形成された可能性があると反論している。

地質学的に見て、プレートテクトニクスは最近始まったという仮説を立てる人もいます。彼らは、現代のプレート衝突帯で形成されることが知られている岩石の種類が、約7億年以上古いとは考えられないことを指摘します。もしこれらの岩石の古い例がないのであれば、プレートテクトニクスもまだ新しいはずだ、というのがその主張です。

しかし、これらの岩石の外観は、地球内部の緩やかな冷却など、プレートテクトニクスの始まり後に起こった変化を反映している可能性がある。

研究者らによると、時期に関する意見の相違は、ある程度、プレートテクトニクス自体が時間とともにどのように変化してきたかを示している。地殻変動は突然停止から活動へと切り替わるのではなく、徐々に現代の形態へと進化してきたと考えられる。

しかしながら、過去10年間に収集された重要なデータは、進化における大きな転換点が約32億年前、始生代中期に起こったことを示唆しています。この転換点はいくつかの証拠に現れています。

地球化学トレーサーは、この時期以降、酸素、二酸化炭素、そして水が大気とマントルの間を移動し始めたことを示しています。安定した大陸地殻の体積も急増しました。この時期以降に形成されたダイヤモンドだけが、地表から引きずり下ろされた物質から形成された岩石であるエクロジャイトの粒を含んでいます。また、噴火時に非常に高温であったコマチアイトと呼ばれる溶岩は、岩石記録から姿を消し始めており、マントルが循環し始めたことをさらに示唆しています。

2020年に異なるチームによって発表された2つの大型論文は、証拠を検証し、プレートテクトニクスは約32億年前に始まったと独立して結論付けました。地球の記録は依然として曖昧であり、一部の人々の間では議論が続いています。しかし、コリンズ氏は、タングステンの新たな発見は「化学的な指紋」を提供するものであり、新たなコンセンサスを裏付けるものだと述べました。

地球誕生初期からのシグナル

2015年、ケルン大学のトゥッシュとミュンカーは、プレートテクトニクスの始まりを探る新たな方法を考案した。彼らはタングステン182に注目した。タングステン182は、太陽系形成から6000万年以内にハフニウム182の放射性崩壊によって形成されたタングステンの同位体である。「これは地球最初期の6000万年の痕跡です」とミュンカーは述べた。

タングステン182は地球史初期の岩石に比較的豊富に含まれているはずです。しかし、プレートテクトニクスが始まると、マントルの対流運動によってタングステン182が他の4つの同位体と混ざり合い、タングステン182の含有量が均一に低い岩石が形成されたと考えられます。

トゥッシュとミュンカーは、古代の岩石から微量のタングステンを抽出する強力な新手法を開発しました。そして、その岩石を探し求めました。

まず、研究チームはグリーンランド西部のイスア地域で採取された始生代の岩石を分析した。トゥッシュ氏は11ヶ月かけてサンプルを分析したが、最終的にタングステン182のデータは平坦で、サンプル間で有意な変動は見られなかった。研究者たちは、グリーンランドの岩石は歴史的に変形と加熱を受け、地球化学的情報が混乱したのではないかと推測した。

より良い岩石が必要だったため、彼らは西オーストラリア州のピルバラに向かった。「ピルバラには、地球上で最も保存状態の良い始生代の岩石がいくつかあります」とミュンカー氏は言う。「同時代の類似の岩石と比べると、それほど加熱されていないのです。」

「私は、同じ値を何度も表示しないサンプルを見つけることに非常に熱心でした」とトゥッシュ氏は語った。

ニューサウスウェールズ大学の共著者マーティン・ヴァン・クラネンドンク氏の指導の下、研究チームはオフロードトラックでアウトバックを縦横に行き来し、古代の火山岩と植物が互いに類似した赤褐色の露頭を訪れた。露頭に生えるスピニフェックスの茂みはシリカを含むため、とげとげしており、シロアリ以外には食べられない。研究チームは、27億年前から35億年前に形成されたとみられる、有望な岩石と溶岩を半トンも打ち出した。

ドイツに戻ったトゥッシュは、研究に取り掛かった。岩石用ノコギリを使って各サンプル内の新鮮な岩石を取り出し、顕微鏡で観察できるよう、一部のスライスを人間の髪の毛の半分の幅まで研磨して半透明にした。残りは粉砕してタングステンを濃縮し、質量分析計でタングステン同位体比を分析した。

約2年かけて、少しずつ結果が明らかになった。今回は同位体比が平坦ではなかった。「本当に素晴らしい結果でした」とトゥッシュ氏は語った。

タングステン182の濃度は、33億年前以前に形成された岩石では当初高く、マントルがまだ混合していなかったことを示しています。その後、2億年以上かけて値は低下し、31億年前には現代のレベルに達しました。この低下は、ピルバラの下にあるマントルが混合し始めたことで、古代のタングステン182のシグナルが薄まったことを反映しています。この混合は、プレートテクトニクスが始まったことを示しています。

地球は、アイスランドのような火山島が点在する水の世界から、山、川、氾濫原、湖、浅い海のある大陸の世界へと急速に変化するだろう。

生命のために作られた新しい世界

およそ 32 億年前という開始時期は、プレートテクトニクスが地球上の生命にどのような影響を与えたかを明らかにするのに役立ちます。

生命は39億年以上も前に誕生し、34億8000万年前にはピルバラの堆積物中にストロマトライトと呼ばれる丘状の小さな層を形成していました。これは、プレートテクトニクスが生命の最も基本的なレベルにとって必須条件ではないことを示しています。しかし、プレートテクトニクスが始まったのとほぼ同時に生命が多様化したのは、おそらく偶然ではないでしょう。

プレートテクトニクスの発達により、大陸の岩石から風化した栄養分で豊かになった、太陽の光が差し込む浅い海と湖が誕生しました。こうした環境でバクテリアは進化し、光合成によって太陽光を集め、酸素を生成しました。

その後5億年の間、この酸素は大気中にほとんど存在しなかった。これは、鉄などの化学物質とすぐに反応してしまうためである。また、光合成で生成される酸素分子はすべて炭素原子と結合しており、炭素が地中に埋もれない限り、大気中の酸素は純増することなく、容易に二酸化炭素に再結合してしまう。

しかし、プレートテクトニクスの作用により、徐々に陸地と堆積物が供給され、そこに炭素が埋もれていくようになりました（同時に、光合成細菌の活動を促進する十分なリンも供給されました）。そして、24億年前には、大気は最終的に酸素化しました。

酸素は、植物、動物、そして酸素を基盤とした代謝を行うほぼすべての生物の誕生を地球上で可能にしました。微生物よりも大きく複雑な生命はより多くのエネルギーを必要とし、生物は酸素が存在することで、ATPと呼ばれる重要なエネルギー輸送分子を、酸素がない場合よりもはるかに多く生成することができます。「私たちが複雑な生命と考えるものにとって、酸素は非常に重要です」と、マサチューセッツ工科大学のアテナ・アイスター氏は述べています。

複雑化への進歩は、「退屈な10億年」時代、すなわち超大陸ヌーナ・ロディニアが約10億年にわたって支配した時代に停滞した。北京大学のミン・タン氏らは、大陸が膠着状態に陥ったことで山々が完全に浸食され、海への栄養塩の流入が減少し、酸素レベルが低下したと主張している。

やがて超大陸は分裂し、新たな山脈が成長して再び栄養分を運び出しました。そして約6億年前、地球の酸素濃度の二度目の上昇に乗じて、複雑な生物が多様化し、巨大化しました。

5億4000万年前、海洋では複雑な動物が爆発的に増加し、その後すぐに陸上でも出現しました。成層圏の酸素がオゾン層を形成し、陸上生物を紫外線から守ったため、陸上でも居住可能になりました。

「潜在的には、始生代の世界に類似した惑星が他にもたくさん存在し、おそらくプレートテクトニクスは存在せず、生命が存在する可能性がある」とアイスター氏は言う。「しかし、プレートテクトニクスのない惑星で複雑な生命が存在するのははるかに難しいかもしれない」

火星を考えてみましょう。火星と地球は誕生から最初の10億年間はよく似ていました。しかし、火星ではプレートテクトニクスは発達しませんでした。おそらく、地球よりも小さいため、内部の圧力がマントル対流を大規模に駆動するには不十分だったのでしょう。その代わりに、急速に厚い地殻が形成され、プレートの移動は困難になりました。今日、火星は赤錆色で、地表にはほとんど水がなく、磁場もなく、大気も乏しい状態です。

しかし、プレートテクトニクスがなければ、地球の運命も同じだったかもしれない。

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。

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