居住可能な惑星をどうやって作るのか？チャールズ・ラングミュアへのインタビュー

【著者】徐一剛

【翻訳】チャオ・シユ、ヤン・ヤン

地球は太陽系の中で唯一知られている居住可能な惑星です。地球がどのように進化し、そのユニークな居住可能性を獲得したかを探ることは、常に地球科学の最先端領域であり、現在の深宇宙探査の焦点の 1 つとなっています。居住可能な惑星の形成を決定する主な要因は何ですか?固体地球のプロセスは生命の起源と表面環境の調節にどのような影響を与えるのでしょうか?地球の居住可能性に関する研究は、現在人類が直面している多くの課題と密接に関係しているのでしょうか?これらの疑問は科学界と一般の人々から幅広い関心を集めています。 National Science Review は、米国ハーバード大学の固体地球化学者で、中央海嶺、プレート収束縁辺、プレート内火山活動など、プレートテクトニクスの地球化学サイクルの多くの側面について体系的な研究を行っているチャールズ・H・ラングミュア教授にインタビューしました。ラングミュア教授の著書「居住可能な惑星の作り方」は、アメリカ出版者協会により2012年最優秀地球科学書に選ばれました。

地球居住可能性研究の重要性と歴史

NSR : 数年前、あなたはウォーリー・ブロックと共著で『How to Build a Habitable Planet』を出版されましたが、この本は地球科学界と一般の人々に大きな影響を与えました。この本を執筆した当初の意図と過程を教えていただけますか?

ラングミュア：ウォリーが最初にこの本を出版したのは1984年です。わずか7章からなる短い本ですが、ビッグバンから人類の時代までの壮大な物語を語っています。その後、当時コロンビア大学で教えていた私に、ワリーがこのコースを教える任務を与えました。私はこの本がとても気に入っていますが、コースではより充実した地球科学の内容を取り扱う必要があり、また元の本の内容の一部は少し古くなっていることに気づきました。

最初はこの仕事は小さなプロジェクトに過ぎないと思っていましたが、実際に作業を始めると、欠けているものがたくさんあることにすぐに気づきました。この本には、確かな地球科学がほとんど取り上げられていないだけでなく、地球生物学や地球の歴史に関する議論も欠けており、新興分野である太陽系外惑星の研究も含まれていません。こうして、この「小さなプロジェクト」は 10 年間にわたる集中的な作業となり、その間に私は生命の起源や地球の歴史など、それまで知らなかった多くの分野を学ばなければなりませんでした。しかし、これは私にとって、マクロな視点から宇宙全体について考え、地球と人類をその広大な文脈の中に位置づける貴重な機会にもなりました。 「惑星の進化については普遍的なプロセスであるという新たなテーマがあることに気づき、地球上で起こっていることの具体的な詳細を超えて普遍的な基本原理を探し始めました。

NSR ：地球の居住可能性に関する研究はなぜそれほど重要なのでしょうか？それは、地球温暖化など、人類が現在直面している課題と関係があるのでしょうか?

ラングミュア：地球温暖化は私たちが直面している中核的な問題であり、それに対処するための行動を取らなければならないということは、今では一般的に認識されています。さもなければ、私たちの生活の快適さや経済的豊かさに悪影響が及ぶことになります。この観点から見ると、地球温暖化への取り組みは経済学者やエンジニアの仕事のように思えます。地球温暖化を緩和するためにどれだけの投資をすべきでしょうか?最も費用対効果の高いエンジニアリング ソリューションはどれですか?そのため、私たちは再生可能エネルギー、電気自動車、送電網の再構築などの解決策に注目しています。同時に、人々は犠牲を払うことなく問題を解決し、経済成長に影響を与えずに環境を保護できるウィンウィン戦略を追求したいとも望んでいます。

しかし、この本を書いているうちに、だんだんと全く違う見方を持つようになっていきました。 「もし明日 CO2 排出問題を解決できれば、すべての問題が解決されるでしょうか？」という仮説的な質問をしてみましょう。答えはもちろんノーです。さらに厄介な問題は、より一般的かつ広範囲にわたる惑星破壊のプロセスです。私たちは、過去の大量絶滅と同じ規模と速度で、地下水を枯渇させ、土壌を侵食し、地球上の他の生命を破壊しています。人口と経済が成長するにつれ、私たちは森林を伐採し、新しい都市を建設し、肉の消費量を増やし続け、必然的に他の植物や動物を大量に殺し、私たちや他のすべての生物が依存している地球のシステムを破壊しています。今日の世界では、たとえ二酸化炭素排出量がゼロになったとしても、経済成長は依然として地球の破壊につながるでしょう。

したがって、GDPと同じくらい徹底的かつ頻繁に報告される「惑星被害指数」を開発する必要があると私は考えています。大気の変化は方程式の一部に過ぎません。その他の要因としては、生物多様性の喪失、土壌の劣化、地下水の枯渇、生息地の破壊、海洋の酸性化、人口問題などが挙げられます。少し考えてみれば、たとえ温室効果ガスの排出量を大幅に削減したとしても、この破壊的な指標のあらゆる要素は増加し続けることがわかります。

この見方はむしろ悲観的に聞こえるかもしれませんが、長期的な視点で見ると、地球の歴史と進化には良い面もあります。地球は不毛の岩石として始まり、長い静止期間を経て、惑星が新たな機能状態へと進化するにつれて急激な変化が起こりました。たとえば、地球が最初に生命のない状態になったのは数億年続いた可能性がある。最も古い生命は、大気中に酸素が存在せず、その状態が約 10 億年続いた原始の海に存在した小さな原核細胞でした。光合成の発達により地球に酸素が供給されましたが、酸素は初期の生物にとって有毒であったため、生命が酸素に適応し、食物からより多くのエネルギーを抽出するために酸素を使用するまでにさらに約10億年かかりました。このエネルギーの増加により、アメーバやゾウリムシなどの真核細胞など、より複雑な単細胞生物が出現しました。最終的に、地球の表面は酸化され、大気中の酸素含有量が増加し、多細胞生物は陸地への侵入や脊椎動物や樹木の進化など、数億年にわたる進化の過程を開始しました。これらの段階をシステムの観点から見ると、特定の詳細に焦点を当てるのではなく、各段階ではエネルギーへのアクセスの増加と関係の規模の拡大が伴います。

この体系的な文脈から見ると、人類の文明は地球の進化における次の段階です。私たちはエネルギー獲得の革命を経験しました。それは、私たちにすべての生命に対する優位性をもたらしただけでなく、超指数関数的な人口増加を支え、言語、印刷、さまざまな形態の電子通信を通じて全人類を瞬時に結びつけるグローバルネットワークを生み出しました。地質学上の時間における非常に小さな境界である「人新世」に私たちがすでに入ったかどうかについては、多くの議論がなされてきました。本書では、人類時代の始まり、つまり過去のどんな大きな変化よりも地球の機能に重大な影響を及ぼす可能性がある変化の時代が来ている可能性があると主張しています。私たちには、過去を振り返り、未来を予見し、原子レベルから宇宙レベルまでの規模を理解する能力があります。人間は、驚くべきことに、指向的な生物学的進化も行うことができます。進化はもはや DNA のランダムな変化だけに依存するものではありません。これらは、45億年の間に惑星の機能に起こった最大の変化であり、驚くべき速さで起こっています。

NSR ：惑星の観点から地球の居住可能性をどう見るか？

ラングミュア：数十億年にわたる惑星の進化を見ると、その進化の道筋は決して必然的なものではないことがわかります。ほとんどの惑星は生命をまったく維持できない可能性があり、たとえ生命が発達したとしても、それは永遠に単細胞の段階にとどまる可能性があります。たとえば、金星にはかつて初期の生命が存在した可能性があるが、太陽に近かったために暴走温室効果が発生した。火星にも過去に生命が存在した可能性があり、地下の亀裂の中に今も生命が潜んでいる可能性もあるが、火星は小さく、太陽から遠いため、生命が持続的に発達するのは難しいだろう。他の惑星は酸素革命を経験しなかったか、巨大な隕石の衝突や隕石の通過などの外的要因により酸素革命が終了した可能性があります。メスのサケが何千個もの卵を産み、そのうち成魚まで生き残るのはほんのわずかであるように、成長の各段階には困難と危険が伴います。宇宙もこんな感じなのかもしれません。数え切れないほど多くの惑星が誕生していますが、地球が経験したような包括的な進化の過程を経ることができる惑星はほんのわずかです。

この観点から見ると、人類の文明も危険にさらされています。私たちは地球破壊の過程にあり、既存の文明が生き残る保証はありません。歴史上、すべての文明は崩壊を経験してきましたが、その崩壊は特定の地域に限られていました。しかし、今日のグローバル化した世界では、いかなる文明の崩壊も地球規模の影響を及ぼすことになります。

地球温暖化はこうした一連の問題の一部に過ぎず、地球温暖化の問題に関しても、私たちの考慮は往々にして利己的なもの、「自分の生活にどのような影響があるだろうか？」というものです。経済成長にどのような影響を与えるでしょうか?それは私の生活環境にどのような脅威を与えるのでしょうか?私たちは、搾取者としてだけではなく、地球の保護者、維持者として生きる必要があり、そのためには、個人および社会の行動を根本的に変える必要があります。

地球の歴史と進化を探究することは、私たちにこうした世界的かつ個人的な疑問を問いかけるきっかけを与え、私たちの起源を理解し、私たちに命を与え、あらゆるニーズを満たしてくれる地球と宇宙に感謝の気持ちを抱く助けとなるかもしれません。感謝の気持ちを持つと、責任感が生まれ、本当にそれができれば、地球システムと私たちの関係は根本的に変わるかもしれません。では、地球の歴史と進化を研究することがなぜ重要なのでしょうか?それは、人間の存在の意味と目的に密接に関係する壮大な文脈と視点を私たちに提供してくれるからです。

地球の居住可能性に影響を与える主な要因

NSR : 居住可能性の問題をマクロな視点から見て、地球を研究対象とすると、多くの特定の要因が組み合わさって地球の居住可能性に寄与していることがわかります。居住可能な惑星を形成するにはどのような条件が必要でしょうか。また、これらの条件が宇宙に広く存在する確率はどれくらいでしょうか。

ラングミュア：居住可能性の基本的な要件は気候の安定性であり、これは惑星の揮発性物質、特に二酸化炭素と酸素の濃度に依存します。これらの元素のうち 3 つ (C、H、O) は、生物の質量の 90% 以上を構成しています。反応に関与しないヘリウムを除いて、これら 3 つの元素 (C、H、O) は天の川銀河で最も一般的な元素です。したがって、宇宙は安定した気候を維持し、生命を支えるために必要な分子で満たされています。しかし、地球のような岩石惑星では揮発性物質が効率的に蓄積されないため、地球上の揮発性物質の総量は他の元素に比べて少なくなります。幸いなことに、それらは深部のマグマに溶解して地表に放出され、その結果、惑星の表面にこれらの揮発性物質が豊富に存在することになります。しかし、地球型惑星間の揮発性物質含有量の大きな違いを説明できる要因はまだ多くあります。

大気中の揮発性物質の濃度を正確に維持することはどれほど重要ですか?地球表面の水の量は海盆を満たすのにちょうど十分であり、海洋と大陸の共存は長期的な気候の安定の基盤となっています。これは幸運な偶然だったのでしょうか、それとも私たちがまだ理解していない何らかのフィードバック メカニズムの結果なのでしょうか?水がもっと多い惑星は「水の世界」になるのでしょうか?そのような世界でも安定した気候と生命を維持できるのでしょうか?大気中の二酸化炭素の正確な濃度は地球の気温にとって極めて重要です。大気中の二酸化炭素濃度の変化が気候に影響を与えることはすでにわかっていますが、もし地球上の二酸化炭素が 1​​0 倍、あるいは 10 倍少なかったらどうなるでしょうか?

酸素の豊富さは今日の地球の生態系の中心であり、数億年にわたってほぼ狭い範囲内に留まっています。大気中の酸素濃度を制御するフィードバックメカニズムは何ですか?これらのメカニズムは惑星の歴史の中でどのように機能してきたのでしょうか?さまざまな惑星ではどのような変化が起こるでしょうか?見落とされがちな重要な点は、固体地球が果たす役割です。プレートテクトニクスと火山活動は、地表の揮発性物質の豊富さを決定する重要な要因です。大気中の酸素の進化は、光合成と有機炭素の埋没によって形成される酸素の「発生源」だけでなく、酸素の「吸収源」にも依存しており、そのほとんどは固体地球における鉄と硫黄の酸化還元反応によって発生します。

惑星の居住可能性の普遍性を探求することで、新たな視点が生まれます。たとえば、惑星の表面にちょうど適切な量の水が存在することを保証する何らかのフィードバック メカニズムはあるのでしょうか?生命の出現は、惑星の表面が還元状態から酸化状態に移行することを伴うことが多いのでしょうか?プレートテクトニクスの働きと、惑星の異なる層を結びつける効率は、惑星の質量に大きく依存しているようです。揮発性物質の適切な濃度を維持するために、惑星は恒星の居住可能領域内にあり、かつ適度な大きさである必要がありますか?これらの疑問に関する研究はまだ始まったばかりで、現在のところ私たちは明確な答えを出せないかもしれない理想化されたモデルに頼っています。

惑星の進化の過程においては、特定の状況を超えてさまざまな惑星環境に適用される基本原理が存在する可能性があります。まず、住みやすさが住みやすさを生み出します。生命体が自らが依存する環境を破壊すれば、最終的には生存できなくなります。より居住しやすい環境を作り出すことができる生命システムが繁栄するでしょう。第二に、生命にとって、より多くのエネルギーを捕獲する能力は進化上の利点をもたらします。これは、地球上で観察されるように、生命が徐々に進化してより多くのエネルギーを利用するようになることを意味します。 3つ目は、共生、フィードバック、関係性の利点です。安定した生態系は長期間存在することができ、生物学的進化の過程で成功することができます。これらの原理は、その特定の生物学的表現や惑星の進化が惑星ごとに大きく異なるとしても、普遍的なものではないのでしょうか?最後に、地球を例に挙げると、時間の経過とともに、惑星には土壌、地下水、鉱床、化石燃料などの豊富な資源が蓄積されます。これらの資源は、それを利用できる生命体の出現を待っています。これらの原則が普遍的に当てはまるとすれば、破滅的な出来事が起こらない限り、知的な文明は地球の発展の究極の結果ではないでしょうか?

NSR : これらの問題を解決するために最も重要な発見は何でしょうか?

ラングミュア：天の川銀河における生命の普遍性を探ることが極めて重要だと考えているのは、決して私だけではありません。生命は「惑星の標準」でしょうか、それとも極めて稀なのでしょうか?もし他の場所で生命を発見すれば、この質問に確実に答えることができるでしょう。生命は稀であり、地球は唯一無二の存在であると主張することは、統計的に言えば、生命が存在する確率が極めて低いことを意味します。混沌とした分子の集合から、高度に秩序立った生命がどのようにして生まれるのでしょうか?天の川銀河には1000億から2000億の恒星があり、天文学者によれば、そのほとんどの周りには惑星があり、生命が存在する機会が約1兆個あるそうです。生命が出現する確率が100万分の1だとしても、天の川銀河には生命が存在する惑星が100万個あるかもしれない。しかし、私たちがそれらのうちの 1 つに偶然遭遇する可能性も 100 万分の 1 です。天文学者がこれまでに発見した惑星は数千個に過ぎないため、今後数え切れないほどの世代にわたる探査が待ち受けています。したがって、火星、エウロパ、あるいは他の太陽系の惑星など、他の場所で生命の証拠が見つかった場合、それは偶然ではなく宇宙の固有の性質として、宇宙に生命が極めて豊富に存在することを示すことになります。

もう一つの画期的な発見は、実験室で生命を生み出す能力だ。この分野では大きな進歩がありました。人類が存在してきた時間は短く、地球の初期に存在したであろう環境の多様性に比べて人間の想像力は極めて限られていることを考えると、生命を生み出す条件を実験室で作り出すことができれば、生命の起源は比較的単純なものとなるだろう。実験室で原始的な生命体を作り出すことができれば、時間の経過とともに生物学的進化が起こり、驚くほど多様な生命が生まれる可能性があります。単純な原始細胞を作ること、これを人間のごく小さな時間スケールで実現できれば、生命は宇宙全体に遍在することになるだろう。

私はこれらの発見をぜひ直接目撃したいと思っています。なぜなら、それは人類の歴史における転換点となるからです。私たちは孤独ではないことをしっかりと認識するでしょう。私たちはこの活気に満ちた宇宙の一部です。

若い世代の研究者へのメッセージ

NSR : 揮発性物質の循環と地球の居住可能性の分野で研究している学生や若い科学者に、どのようなアドバイスをいただけますか?

ラングミュア：若い科学者たちは、ネイチャーやサイエンス誌に論文を発表するにはどうしたらよいかとよく私に尋ねます。これらの論文は、彼らのキャリアアップにとって非常に重要だからです。これらのトップジャーナルに論文を発表するための鍵は、適切な質問をすること、研究に情熱を持つこと、問題を深く探究すること、そして発見に対してオープンであることです。何かを発見した場合、運が良ければ、適切な編集者と査読者がいれば、あなたの研究は Nature に掲載されるでしょう。これは人工的に作り出せるものではありません。私のキャリアの中で、多くの重要な論文が『ネイチャー』や『サイエンス』に掲載されませんでした。重要なのはどこで出版するかではなく、論文の質です。

偉大な科学者に共通する特徴は、世界に対して心を開き、観察する現象に疑問を持ち続けることです。そのため、他の人が見落としていた新しいものを発見することもあります。適切な質問を見つけて、それを探求し続けると、「これはとても明白だ！なぜ今までこれに気づかなかったのだろう？」と言う人がよくいるでしょう。私の大叔父はノーベル化学賞を受賞しましたが、彼の最も重要な発見の一つは海洋物理学の分野におけるものでした。彼は悪天候でもアウトドアが大好きです。ある日、彼は船に乗って大西洋を横断していたとき、激しい嵐に遭遇しました。彼は風と波を感じながら甲板を歩いた。彼は水を見て、海藻が風と平行に等間隔に並んでいるのに気づいた。この配置は、風向きが変わると 30 分以内に変化しました。これは何千年もの間船乗りにとって明白だったかもしれませんが、彼はそれを見て自分自身に尋ねました、これはどのように起こったのですか？その後、彼は夏に湖畔の小屋に行き、嵐が来たときにボートを漕いで傘を水に浸したところ、傘が波とともに回転し、風向と平行な対流セルが現れることを発見しました。彼はこの流れを定義しただけでなく、その速度も測定しました。ラングミュア循環は現在、浅い海域における水混合の主な形態であると考えられており、海洋物理学の分野における研究の中核となっています。

また別の時、穏やかな日にボートに乗っていたとき、エンジンから出た一滴のオイルが水面上で大きなシート状に広がっているのに気づき、「この層はどれくらいの厚さなのだろう？」と自問しました。測定が行われ、単分子膜が発見され、現在では彼の名を冠した表面化学の雑誌が出版されています。

彼がこれらの発見をしたのは、サイエンス誌やネイチャー誌に論文を発表したかったからではない。彼は世界に対して好奇心を持ち、巧みな実験や出版を通じてその好奇心に従うことで、それを成し遂げたのです。彼は晩年、生涯を通じて科学研究の喜びを味わった。

父はこの伝統を引き継ぎ、私が子供の頃、楽しい科学実験を私と一緒に行ってくれました。牛乳瓶にろうそくを入れて真空状態にし、ゆで卵を瓶の中に吸い込んだり、二酸化炭素の泡を浮かべたり、ヘリウムを吸い込んで高音を出したり、簡単な楽器を作ったりしました。科学は実用的で楽しいものだと学びました。私はこれまでのキャリアを通じて、自分の好きなことをしながら喜びを見つけることができてとても幸運でした。科学研究を通じて賞を獲得したり金持ちになったりすることは考えたこともありませんでした。もちろん、そこには幸運も関係していました。その分野のデータが非常に少なく、海洋の探査も非常に限られていた時代に、私が火山地球化学の研究を始めることができたのは幸運でした。もちろん、現在のシステムでは、科学的イノベーションを事前に設計できるかのように、仮説を立てて提案書を書かなければなりません。しかし、船が何か新しいものを探索するために海に出たり、新しいデータが出てきたりすると、私は発見の可能性に注意を払います。実際、そのような発見は時々起こります。
私のキャリアを振り返ってみると、非常に重要な点がいくつかあると思います。 1つ目は、高品質なデータを取得することです。データの品質に合理的な疑問を持ち、その正確性を確保するよう努めるべきです。高品質なデータには永続的な価値があります。次に、データを定量的にモデル化し、単一の同位体比の独自の分析だけでなく、すべてのデータを考慮するようにしてください。そうしないと、思いついたアイデアや理論が機能せず、時の試練に耐えられない可能性があります。最後に、科学研究の分野は競争が激しいかもしれませんが、人間関係の方が重要です。重要な論文をたくさん抱えながら友人がいないままキャリアの終わりを迎えたら、不満を感じるでしょう。したがって、学生、ポスドク、同僚とサンプルを惜しみなく共有してください。科学は集団的な活動です。進歩は関係性のネットワークを通じて達成されるため、私たちはそうしたつながりを構築し、育む必要があります。

[徐一剛、中国科学院広州地球化学研究所研究員、『国家科学評論』編集委員、特別テーマ「居住可能な惑星における揮発性物質の起源と循環」の客員編集者]居住可能な惑星の作り方：チャールズ・H・ラングミュア氏へのインタビュー、DOI: 10.1093‍/nsr/nwae060】