Hubbard glacier, Alaska. Credit: robertraines/Flickr, CC BY 2.0

今日、私たちが占める太陽系の比較的穏やかな領域は、灼熱の激しい過去と、背筋の凍るような未来を裏付けています。 このシリーズでは、太陽系の形成から始まり、小惑星の衝突や大量絶滅を経て、今日の人類が環境に与える影響まで、地球の地質学的・自然史的な歴史を探求していきます。

これまで、私たちの地球が経てきた変化の大きさを理解するためには、重要な節目で一時停止しながら、膨大なタイムスケールを駆け抜けることが必要です。 45億6000万年前に地球が誕生して以来、5億年という短期間で生命が誕生しました。 そして約24億年前（bya）、大気や海に初めて酸素が大量に出現し、たちまち大量絶滅を引き起こし、地球はヒューロン紀の氷河期に突入しました。 酸素は温室効果ガスであるメタンを除去し、地球を温暖化させた。 この氷河期は、地球が経験した24の大量絶滅のうち最初のものである「大酸素化現象」の後に起こった。 7008>

この氷河期の証拠は、カナダの同名のヒューロン湖とスペリオル湖に沿って存在しています。 カナダのこの地域は、今日まで存続している地殻の古い安定した部分であるクラトンである。 このクラトンは、地球の赤道付近に存在した超大陸「ケノーランド」の一部であった。

地球がゆっくりと凍りつき、陸と海に氷の層ができるにつれて、超大陸ケノーランドは分裂しはじめました。 そしてその過程で、火山活動が復活したのです。 ケニアランドは、バールバラと呼ばれるもうひとつの超大陸とは異なり、巨大であった。 バールバラは、現在アフリカとオーストラリアにある2つのクラトンにしか分裂しませんでしたが、ケノールランドは巨大で、現在カナダ、アメリカ、スカンジナビア、グリーンランド、そしてアフリカ南部のカラハリ砂漠にクラトンを持っていたのです。 このような大きな大陸がビスケットのようにばらばらになると、地球の気候に極端な変化をもたらすのです。

まず、海底に裂け目や広がりが生じます。 これによって、海底の上部は熱くなる。 地殻はマントルの上に浮かび、しばしば粘性の高い溶岩に下部を奪われる。 暖かい岩石は密度がかなり低いので、マントルの中で上昇し、大陸の高さを増加させる。 高さが増すということは、空気が冷たい高地であることを意味する。 さらに、海が温まることで蒸発量が増え、地球全体の降水量も増えました。 これがさらに地球を冷やした。 地球がだんだん白くなってくると、反射率も高くなります。

このように、寒冷化が進む事象を正帰還ループと呼ぶ。

ヒューロン氷河期には、赤道近くまで陸と海の一部を氷河と氷が覆っていた。 これは、2.4byaから2.1byaまでの3億年近くにわたる史上最長の氷河期であった。 この氷河期が持続した顕著な原因は、火山活動が小康状態になったことで、大気中の二酸化炭素とメタンがさらに減少し、その一部が氷や海洋に閉じ込められたことにあるようだ

氷河期は負のフィードバックループによって終わる。 氷河期には激しい降雪があり、水は陸上に大量の氷の形で閉じ込められます。 そのため、海面が下がります。 大気中の水分が足りなくなったため、降水量も減少する。 降水量は寒さを維持します。 海の氷は陸の大きな氷床よりも早く溶けます。 地球がこれ以上寒くなれず、寒さを維持するための降水量がなくなると、太陽の影響で暖かくなり始めます。 海氷が少し溶けただけでも、水は太陽の熱を吸収し始め、二酸化炭素を放出してさらに溶けるというループを引き起こし、氷河期を急速に終わらせることができる。 7008>

ヒューロン氷河期の終わりとケノールランドの崩壊のすぐ後、世界の海のどこかで、ある単細胞生物（おそらくバクテリア）が別の単細胞生物（おそらくアーキオン）を攻撃し、飲み込んでその中で生存させました。 この2つの生物は、共に相手の老廃物を必要としたため、共生と呼ばれる方法で協力し合ったのである。 この小さな細胞が、核や膜を持ち、古細菌がミトコンドリアとなった、最初の複雑な単細胞生物となったのである。 このような生命体は、今日では真核生物として知られており、この特定の細胞は、今日のあらゆる生物の祖先である。 これは、初歩的で原始的な、まさに単純な単細胞生物が約25億年続いた後、約2.1byaに起こったことです。

ロディニアの芸術家の構想。 Credit: Tomo Narashima

一方、ケノーランドの分裂した部分は海中を移動し、新しいクラトンと再び衝突して、コロンビアという新しい巨大な超大陸を形成した。 コロンビアはケニアランドよりもさらに大きく、現在の北アメリカ、スカンジナビア、オーストラリア、インド、南アメリカに属するクラトンを含んでいました。 実際、インドの西海岸は北米の東海岸に、カナダの西海岸はオーストラリア南部にくっついていた。 スカンジナビアはブラジルとくっつき、すべての陸地がぎっしり詰まっているのだ。 1.8byaに完全に組み立てられた後、コロンビアはその境界で火山岩が形成され、流出したマグマが冷えて固まり始めたため、サイズが拡大し始めました。

この火山活動はさらに内陸の火山活動を誘発し、自然に超大陸にひびが入り始めました。 コロンビアは1.4baに分裂を始め、クラトンは現在のインド、北アメリカ、中国、アフリカ、スカンジナビア、オーストラリアの一部に分裂しました。 これらのクラトンは長い間独立して存続することができませんでした。 ロディニアはほとんど南半球に残り、地球の生物史において非常に重要な位置を占めています。 この超大陸では、真核生物が初めて有性生殖を行い、多細胞生物に進化した。 ロディニアが分裂し始めると、海底に突然、巨大な裂け目ができました。 このため地殻が加熱され、前回の氷河期で降雨量が急増したのと同じメカニズムが繰り返されました。 その結果、さらに冷却が進み、氷河期が到来したのです。

しかし、この氷河期、クライオジェニアン氷河期はヒューロニアン氷河期とは異なっていたのです。 実は、このような氷河期は、地球の歴史上、二度とないのです。 氷冠や氷河が極地から赤道の真ん中まで広がり、地球を隅々まで覆って、まるで巨大な雪の塊のようになったのです。 この現象は「スノーボールアース」と呼ばれている。 氷河期は、氷河期に2回の急激な氷河化が起こり、その間にごくわずかな温暖な間氷期があったために起こったものである。 この地球上で最も極端な氷河期は、720ミヤから635ミヤまで続いた。

この氷の融解-ロディニアの分離に伴い、生命のさらなる進化が見られた。 陸地の分断により、海では火山活動が活発化し、その結果、水中に栄養分が流入するようになった。 先カンブリア時代の最後の数百万年で、最初の「動物」である海綿が出現したのである。 また、海底の広がりによって浅い海がたくさんでき、生物は水中から陸上へと移動するようになった。 そして、ロディニア大陸が崩壊し、先カンブリア時代から顕生代へと時間軸が移行したのである。 542ミヤから始まる「始生代」は、直訳すると “明確な生命が存在した時代 “となる。 先カンブリア時代は3つの大きなイオンにまたがり、40億年以上続いたが、始生代はそれよりもはるかに多くのことが地球上で起こった。 より多くの多様性があり、地球の地表の特徴と大気の大規模な変化があり、大量絶滅がなんと20以上もあったのだ。 2500万年の間に、地球上のすべての生命は想像を絶するほど突然に多様化したのです。 基本的な複雑な単細胞生物から、現在の多くの動物の祖先が登場したのである。 そして、そのような生物は、化石に現れるようになった。 海底を這いずり回っていた虫のキルティング化石が最も多く見られる。 実は、このように複雑な生物が前兆もなく短期間に大量に多様化したことは、ダーウィンによって自然選択説（適者生存説）に対する正当な論拠として注目された。 一方、陸上の生物は生き残りをかけて奮闘していた。 プランクトンはすでに誕生していたが、陸上にはシアノバクテリアの微生物マットが最初に植民地化された。 陸上への適応には、重力に逆らって成長する能力が必要だった。 また、生命体は、栄養分や卵・精子の輸送を水などの媒体に依存するのをやめる必要があった。 空気中の栄養分が不足すると、生き残るのが難しくなる。 海洋の多様な動物が急速に増殖し、繁栄していたにもかかわらず、陸上の多細胞植物は進化するのに非常に長い時間を要した。 カンブリア紀の主役は、絶滅した節足動物の一種である三葉虫である。 三葉虫は2億7千万年近くも繁栄し、海洋動物の中で最も成功した生物といえる。 彼らは、最終的に地球上から姿を消すまで、致命的な大量絶滅の最初の2つと合計8つを生き延びた。

アフリカ・モロッコで発見された三葉虫の化石。 Credit: Mike Peel, 2010

これらの海虫類が水中を這いずり回っている間、頭上のクレタンは再び動き出しました。 そして、互いに衝突し、パンノティアという別の超大陸が形成されつつあったのです。 しかし、この超大陸の構成要素は、実際にはくっついてはいなかったのだ。 パンノーティアは形成後6000万年足らずで分裂し、地球の気候と生命に再び激震をもたらした。 カンブリア紀には、2000万年以内に4回の大量絶滅が相次ぎ、全海洋生物の40％近くが絶滅し、新しい時代の到来を告げた。

オルドビス紀は48500年に始まり、最初の真の脊椎動物、魚類が登場した。 海中には、現在のカタツムリ、クモ、エビに似た軟体動物や節足動物のような殻を持つ生物が数多くいましたが、大きさはずっと小さくなっていました。 陸上では、原始的な植物がゆっくりと、しかし確実に成長し始めていた。 しかし、そこには複雑な事情があった。 オルドビス紀には、私たちが知っているような土は存在しなかったのである。 土壌とは、鉱物と大部分が分解された有機物の組み合わせである。 465年前のオルドビス紀では、表層はむき出しの岩石や砂であり、生命を維持することはできなかった。 真菌類、藻類、苔類、地衣類は、とにかく陸上で育ち始めた。小さな小さな植物で、岩や砂の中に爪を立て、なんとか持ちこたえようとした。 地衣類は最も一般的な植物で、現在でも乾燥した砂漠の土地で見かけることができる。 そして、地中に潜る動物が出現すると、土壌はより肥沃になった。 オルドビス紀の穴掘り動物はミミズやダニで、岩をもぐりこんでゆるめた。

しかし、岩に張り付き始めたこれらの小さなミミズや植物による穴掘りは、予想外の結果を招いた。 あるとき、複数の場所で岩の表層が海に浸食され、そこにいたすべての生命が死滅したのです。 陸上の植物は光合成をするので、その植物がどんどん死んでいくことによって、二酸化炭素の濃度が下がっていったのです。 一方、ロディニアとパンノティアに残されたクラトンは組み替えられ、小さな大陸を形成していました。 南米、オーストラリア、南極、インド、アフリカが集まって、ゴンドワナランドという大きな大陸を形成していました。 ゴンドワナ大陸は、南極に向かい、冷たく暗い地球の奥地へと着実に流されていった。 二酸化炭素の減少と相まって、ゆっくりとした寒さは、また新たな氷河期をもたらしました。 大量絶滅と同じように、氷河期も5回ありました。 それぞれのビッグファイブが重なることはありませんが、どの氷河期もほぼ必ず大量絶滅を伴います。 この場合、ビッグ5の3番目の氷河期とビッグ5の1番目の大量絶滅が重なったことになる。 アンデス-サハラ氷河の開始は、オルドビス紀-シルル紀の大量絶滅をもたらした一連の出来事を引き起こした。

氷河期は海面の変化、気候の大規模な変動、最終的には火山活動を引き起こし、最終的に負のフィードバックループに貢献する。 しかし、火山活動や海水準の変化は、大気中に有毒ガスを放出し、海や大気中の無酸素状態を引き起こし、大量絶滅を継続させるさらなる正のフィードバック・ループを形成します。

土壌侵食と氷河のほかに、科学者が大量絶滅を引き起こした可能性があると考えるもうひとつの仮説があります。 画像はイメージです。 NASAゴダード宇宙飛行センター

ガンマ線バーストは、遠くの銀河で観測される、非常に強力で予測不可能なエネルギーの閃光です。 宇宙で最も強力な電磁波が放出される方法です。 死にかけた星が崩壊するとき、ジェットストリームとして吹き出し、ブラックホールになることもある。 ガンマ線バーストは2秒足らずで、太陽が100億年かけて放出するのと同じエネルギーを放出することができます。 7008>

ガンマ線バーストの直撃にさらされると、私たちの惑星は物理的に完全に破壊され、バラバラになります。 地球を通過するガンマ線は大気を化学的に損傷し、地球からオゾンをすべて奪ってしまうかもしれません。 これはまさに、オルドビス紀-シルル紀の大量絶滅で起こったことであり、世界がこれまでに経験した中で2番目にひどい大量絶滅となったのです。

次回は、植物の進化、動物のさらなる進化、地球上の最初のいくつかの山、次の大きなものを含む5つの大量絶滅、最後の大きな超大陸の形成についてお話します。

Sandhya Rameshは、天文学と地球科学を中心とした科学ライターです。