呼吸することを決めるのは誰ですか?初期の地球で酸素がどのように生成されたかの謎

制作：中国科学普及協会

著者: Denovo チーム

プロデューサー: 中国科学博覧会

酸素という元素は誰もが知っています。周期表上のほぼすべての他の元素と化合物を形成できます。地球の大気には約21%の酸素が含まれています。大気中の酸素はどこから来るのでしょうか？

おそらく小学生でもこの質問は知っているでしょう。光合成とは、緑の植物、藻類、特定の細菌が太陽光、水、二酸化炭素をブドウ糖と酸素に変換するプロセスです。

数十億年前の地球にタイムスリップして、地球上の酸素がどこから来たのか考えたことはありますか?最も古い酸素も光合成によって生成されたのでしょうか?

大気中の酸素

（写真提供：Veer Gallery）

大酸化イベント：地球の呼吸源

約45億7千万年前、太陽は天の川銀河の目立たない一角に形成されました。太陽の形成後に残った物質は、もちろん約45億5000万年前に誕生した地球を含む太陽系の残りの部分に凝縮されました。

地球が形成されてからの45億5千万年のうちの約半分の間、地球には酸素がほとんどないか、非常に少ない状態が続いていました。大気中の酸素濃度が大幅に増加し、大酸化イベント (GOE) が発生したのは、約 24 億年前になってからでした。この期間中、大気中の酸素濃度の増加は地球上の生命と環境に大きな影響を与えました。

大酸化イベントのわずか2〜3億年前、地球の大気中の酸素は極めて薄かった。いくつかの研究では、シアノバクテリアなどの初期の微生物が光合成によって太陽エネルギーを化学エネルギーに変換し、副産物として酸素を水中に放出したと考えられています。時間が経つにつれて、この酸素は蓄積され、最終的に大気中に放出されました。

25億年前から20億年前までの地球化学データと地質学的記録の概要

茶色の部分は伝統的な「大酸化イベント」を表しています（画像出典：参考文献[1]）

酸素が大気中に入ると、当時の生物環境や地質環境に大きな影響を与えました。酸素は多くの原始的な嫌気性呼吸生物にとって有毒であり、多数の生物の絶滅につながります。同時に、酸素は大気や海洋中の化合物と反応して、ヘマタイトの層などの新しい地質構造を形成しました。

酸素は多くの生物の絶滅を招きましたが、同時に、より複雑な新しい生命体の誕生への道も開きました。酸素のおかげで、一部の生物は生き残るために酸素を利用する新しい方法を進化させ、より複雑な生態系を形成しました。

大酸化イベントは地球の生物学的、地質学的環境を変えただけでなく、科学者に地球の初期の歴史と生命の起源を探る重要な手がかりを提供しました。

地球上の種の多様性（画像提供：Veer Gallery）

酸素増加の原因の一つはニッケルであることが判明しました。

もちろん、大酸化イベントの手がかりとなる科学的研究は他にも数多くあります。 2009年にネイチャー誌に掲載された論文では、大気中の酸素濃度が上昇する理由の一つについて推測されていました。

研究者たちは数十か所の堆積岩に含まれる微量元素を分析した結果、昔の海には今日の海水の400倍ものニッケルが含まれていたことを発見した。初期の地球の海にはメタンガスを生成できる微生物がたくさん存在していました。これらのメタン生成微生物はニッケルを豊富に含む水を好み、そこで成長して繁殖し、大量のメタンガスを大気中に放出します。メタンガスが酸素の蓄積を妨げているのではないかと推測されています。

メタン分子構造（画像提供：中国科学院）

科学者たちは岩石を検査した結果、約24億年前に海に溶けていたニッケルが徐々に沈殿したことを発見した。これはおそらくマントルの冷却と凝固によるものと思われる。海中のニッケルが減少すると、ニッケルに依存するメタン生成菌も生存できなくなり、光合成で酸素を放出する藻類やその他の生命体が生息する余地が生まれます。これは、大酸化イベントに対するもう一つのもっともらしい説明を提供します。

火山活動：地球の酸素に関するもう一つの推測

2021年に米国科学アカデミー紀要に掲載された論文では、主に地球の大気中に酸素が出現した初期段階、特に大酸化イベントの前に起こった「小さな」酸素の増加について議論されました。研究者たちは、この初期の酸素増加は火山活動によって引き起こされた可能性があると推測した。

火山活動（画像提供：Veer Gallery）

研究者らは西オーストラリア州の掘削コアを分析した結果、火山活動に伴う水銀濃縮と酸化風化の兆候を発見した。この証拠は、火山活動が初期の酸素増加に重要な役割を果たしたという仮説を裏付けています。

火山活動によって栄養分を豊富に含んだ溶岩と灰が生成され、それが風化して川やその他の水源に流れ出します。例えば、巨大な玄武岩の地殻が風化すると、リンをベースとした栄養素が放出され、シアノバクテリアやその他の単細胞生物の繁殖を促進し、より多くの酸素を生成します。研究者らは、火山活動が火山ガスとの反応を通じて大気中の酸素を長期的に枯渇させる原因にもなるのではないかと推測している。

シアノバクテリア（青い藻類）（画像提供：Veer Gallery）

酸素の増加は、酸素生成量の増加によるものであり、岩石やその他の非生物的プロセスによる酸素消費量の減少によるものではありません。これは複雑な生命の進化を理解する上で大きな意義を持ちます。

二酸化硫黄の光分解：非生物的酸素生成の新たな経路

では、シアノバクテリアが出現して酸素を放出し始める前、地球上には酸素は全く存在しなかったのでしょうか?もしあるなら、酸素はどこから来るのでしょうか?

最近、中国科学院の科学者らは化学科学誌に論文を発表し、二酸化硫黄分子の光分解によって硫黄原子と酸素が生成され、初期の地球の大気中に新たな酸素源がもたらされることを発見した。

科学者たちは、世界で最も明るく、完全に調整可能な極端紫外線自由電子レーザー光源である大連光源を使用し、その波長範囲を120〜160ナノメートルに調整し、二酸化硫黄を硫黄原子と酸素に直接分解しました。

大連光源装置（画像提供：中国科学院）

光子自体がエネルギーを運ぶため、波長が短いほど光子のエネルギーが高くなります。実験では、波長が121.6ナノメートルの場合、収率が約30％に達することも判明した。このプロセスは、二酸化炭素と水分子からの光化学的酸素生成に続く、新たに発見された非生物的酸素生成経路です。

二酸化硫黄の光分解の模式図（画像提供：中国科学院）

ここで再び疑問が生じます。なぜ科学者は 121.6 ナノメートルを選んだのでしょうか?

これは、ライマンα線の波長121.6ナノメートルが、水素原子のスペクトルにおける特定の波長であるためです。水素は宇宙で最も豊富な元素であり、ライマンアルファ放射線は多くの天文現象や恒星活動において非常に一般的です。星、特に若く活動的で高温の星では、真空紫外線が重要なエネルギー出力チャネルとなります。

これらの恒星の真空紫外線の中で、ライマンα線は通常最も強く、最も豊富なスペクトル線です。この特性により、ライマンαは恒星活動、星間物質、惑星の大気など多くの分野の研究に役立つツールとなります。

始生代後期の火山噴火により二酸化硫黄ガスが放出され、それが大量に大気中に放出されました。研究者たちは、光の下で二酸化硫黄が光分解されて酸素が生成されたのではないかと推測している。これは、二酸化硫黄の真空紫外線光分解が、地球の原始的な大気中に重要な新しい酸素源を提供する可能性があることを意味します。

結論

地球とその物質の起源と進化は複雑かつ素晴らしいプロセスです。酸素は私たちの日常生活のあらゆる場面で存在していますが、その発生源と生産方法は解明が必要な謎のままです。物質世界は複雑であり、人間が自然の真の魅力を理解することができるのは、まさにこの継続的な探求のプロセスのおかげです。

参考文献:

[1]Poulton, S., Bekker, A., Cumming, V., Zerkle, A., Canfield, D., & Johnston, D. (2021).大気中の酸素化が永久的に2億年遅れる。ネイチャー、592(7853)、232-236。

[2]Farquhar, James, Huiming Bao, Mark Thiemens. 「地球最古の硫黄循環の大気への影響」サイエンス289.5480（2000）：756-758。

[3]Konhauser, Kurt O.、et al. 「大酸化イベント前の海洋ニッケル枯渇とメタン生成菌飢餓」ネイチャー458.7239（2009）：750-753。

[4]Meixnerová, Jana、et al. 「水銀の存在量と同位体組成は、始生代末期の酸素の「匂い」以前に陸上火山活動があったことを示している。」米国科学アカデミー紀要118.33（2021）：e2107511118。

[5]Lu、Zhou、et al. 「CO2光分解における直接的な分子状酸素生成の証拠」サイエンス346.6205（2014）：61-64。

[6]チャン・ヤオ、et al. 「二酸化硫黄の真空紫外線光分解と初期地球の大気中の酸素生成への影響​​」化学科学（2023年）。