2億5000万年前の植物は地球を「変化」させることができた

最近、雲南大学古生物学研究所の馮卓教授率いる植物古生態学チームは、さまざまな技術を駆使し、現生植物と化石植物の比較研究を組み合わせて、2億5千万年前の植物がすでに強力なケイ素のバイオミネラル化能力を持っていたことを確認し、地球システムの進化における植物の変革的役割の直接的な化石証拠を初めて提供しました。関連する結果は有名な学術誌「National Science Review」に掲載されました。

4億7千万年前に植物が「地上に降り立った」ときから、植物は独自の方法で地球のあらゆる層を静かに変化させ、地球を徐々に今日の私たちが住むことのできる住まいへと進化させてきました。一方、植物は私たちがよく知っている光合成を通じて二酸化炭素を吸収し、酸素を放出します。この生理的代謝プロセスは地球の大気の組成を変え、つまり二酸化炭素含有量を減らして酸素含有量を増やし、初期の地球に長い間存在していた高二酸化炭素・低酸素環境を完全に変化させます。一方、植物は周囲の環境からケイ素を吸収し、体内または体表面に二酸化ケイ素を沈殿させるという特殊な生理学的代謝能力も持っています。このプロセスは植物の「シリコンバイオミネラリゼーション」と呼ばれます。植物のミネラル化によりシリカの溶解性は大幅に向上します。植物が枯れた後、シリカは表面流出を通じて海洋循環に入り、海洋のプランクトン微生物（特に珪藻類）に栄養を与え、それによって海洋の炭素循環プロセスを促進し、大気中の二酸化炭素をさらに消費します。

図1. ペルム紀後期（約2億5000万年前）のイワヒバの葉の化石

植物におけるケイ素のバイオミネラル化は、植物自体にも多くの利点をもたらします。私たちは皆、幼い頃に聞いた、魯班が鋸を発明したという話を今でも覚えているはずです。魯班は草で手を傷つけられ、鋸を発明することを思いついたのです。これは、イネ科の植物がケイ素をバイオミネラル化する能力が強く、葉の中に微細な「ガラスの破片」が大量に堆積するためです。これらの鋭いガラスの破片は、植物の鉱化による代謝産物、つまり植物珪酸体です。植物珪酸体により、植物体の強靭性と強度が大幅に向上し、倒伏や病害虫に対する抵抗力も大幅に向上します。

図2. ペルム紀後期（約2億5000万年前）のイワヒバの葉にそのまま保存された植物珪酸体

科学者たちは、生きた植物の形態学的、解剖学的、ゲノム的研究を通じて、今日の植物界では、イワヒバ、トクサ、イネ科、カヤツリグサ科、および一部のシダ植物が強いケイ素の鉱化能力を持ち、体内および体表面に大量の植物珪素を形成できるのに対し、マツやヒノキなどの裸子植物はケイ素の鉱化能力が非常に弱いことを発見しました。分子生物学と化石記録により、イワヒバは非常に保守的であり、3億7000万年の進化の歴史の中でほとんど変化していないことが確認されています。そのため、科学者たちは、植物中のケイ素のバイオミネラル化は植物の進化の初期に存在し、初期の地球システムの進化に大きな影響を与えたと主張しています。しかし、直接的な化石証拠がないため、植物におけるケイ素のバイオミネラル化の進化とそれが地球システムに与える影響についてはまだ解明されていません。

雲南大学古生物学研究所の研究員、馮卓氏は研究チームを率いて、雲南省曲靖市富源市のペルム紀の地層で、美しく保存されたイワヒバの葉の化石100点以上を発見した。形態学、解剖学、原位置元素エネルギースペクトル分析（SEM-EDX）などの方法に基づき、現生イワヒバとの比較研究と組み合わせることで、2億5千万年前の化石イワヒバがすでにケイ素をバイオミネラル化する強力な能力を持っていたことが確認され、植物による初期地球システムの変容に関する直接的な化石証拠が初めて提供されました。

図3. ペルム紀後期（約2億5000万年前）のイワヒバの葉の化石のSEM-EDXスペクトル分析

馮卓らが発見したイワヒバの化石は、表皮の形で保存された標本であることは特筆に値する。従来の研究方法では、実験の進行を早めるために、この種の保存された化石材料は、強酸（フッ化水素酸、塩酸）や強アルカリ（水酸化カリウム、水酸化ナトリウム）などの高濃度の試薬で処理されます。シリカはフッ化水素酸に非常に溶けやすいため、従来の実験方法では、その場で保存された植物珪酸体標本を得ることができません。研究過程で、馮卓らはフッ化水素酸を避け、直接塩酸を使用してサンプルを処理し、その後サンプルを適切に加熱しました。 Feng Zhuo らが使用した方法従来の方法よりもはるかに時間がかかります。実験サイクルは通常完了するまでに数か月かかりますが、完全な原位置保存された植物珪酸体標本を得ることができます。馮卓らが使用した実験方法は、将来の科学者が植物におけるケイ素のバイオミネラル化の起源と進化、そして地球システムの進化におけるその役割を明らかにするための重要な参考資料となる。