地球惑星科学II（番外編） 地球進化史 ー46億年史ー 北海道大学・環境科学院 藤原正智 http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/ 1 地球進化史 ー 46億年史 ー • • • • 年代決定の技術 地質時代区分 地球史七大事件 地球進化史概観 参考文献 ・「生命と地球の歴史」丸山茂徳・磯崎行雄著、岩波新書 （次の文献も参照した： 「地学図表」、「はじめての地学・天文学史」、 「進化する地球惑星システム」（東京大学地球惑星システム科学講座編、東京大学出版会）） 以下は最新の文献 ・「人類進化の700万年－書き換えられる「ヒトの起源」－」三井誠著、講談社現代新書 ・「絶滅古生物学」平野弘道著、岩波書店 （教科書「地球惑星科学入門」 の該当箇所は、第II部、特に第14・16・17章） 2 年代決定の技術 • • • 層序学： 地層（堆積岩）と化石との対応を調べる学問（18世紀後半～19世紀初頭に誕生、発展） 地層累重の法則： “地層は時間とともに順に積み重なる” 地質時代： 各地層から出土する化石の種類により分類・同定 “顕生代”（古生代、中生代、新生代）： 化石として残る骨格を持つ生物が出現した以降の時代 “先カンブリア時代”（冥王代、太古代（始生代）、原生代）： 顕生代以前 生物の誕生・進化・絶滅が示唆される • 絶対年代（放射年代） 幾つかの元素の放射性崩壊の性質を利用する。崩壊速度は元素ごとに決まっている。 崩壊の結果生成する元素も岩石中に固体として残る場合が好都合。質量分析計を用いる。 ウラン－鉛法（半減期7億年）、ルビジウム－ストロンチウム法（半減期488億年）、カリウム－アルゴン法（半減期12.5億年） α線：Heの原子核（陽子2個＋中性子2個）、β線：電子（陽電子含む）、γ線：短波長の光・電磁波 3 ［地学図表］ 地質時代区分 （“紀”名の多くは、初めてその地層が調査された地域名に由来） ［地学図表］ 4 顕生代の生物 ［地学図表］ 古 生 代 中 生 代 新 生 代 生きている化石 5 地球史七大事件 （1）45.5億年前 地球の誕生 （化石による時間軸から地球物理学的考察による時間軸へ） （2）40億年前 原始海洋の誕生 プレートテクトニクス 生命誕生 （3）27億年前 強い磁場の誕生 酸素発生型光合成 （4）19億年前 真核生物の誕生 初めての超大陸 （5）7.5～5.5億年前 マントルへ海水注入 硬骨格生物出現 全球凍結？ （6）2.5億年前 最大の生物大量絶滅 （古生代－中生代境界） （7）700万年前 人類の誕生 ［地学図表］ 6 地球進化史概観（1）45.5億年前 太陽系形成期： ・微惑星の衝突・合体、巨大隕石の落下 ・H2、Heは太陽風により剥ぎ取られる ・微惑星よりH2O、CO2、N2が供給される 火星サイズ（現在の0.5倍）まで成長した時、 衝突エネルギーの蓄積＋原始大気の温室効果 マグマオーシャンの形成（地表温度1700℃） 月の形成（マグマオーシャンは地球中心まで？） 岩石から鉄が分離・鉄の沈み込み 液体金属核の形成 （重力エネルギー解放でさらに高温化） 大気の様子： ・H2Oを主成分とし、地表気圧は数百気圧 ・激しい対流が生じ、高度300km付近では、 水の活発な蒸発・凝結・降水が生じていた ・雨はまだ地表に到達せず ［丸山・磯崎］ 7 地球進化史概観（2）40億年前 冷却降雨が地表に到達原始海洋の誕生 海洋誕生 ・大気中からH2Oの大部分が抜ける ・大気中のCO2が海へ大量に溶ける 大気の温室効果が急減し、地球は急冷した 表層岩石が冷却により剛体化（プレート化） （上部地殻を形成する花崗岩は、地球だけに大量存在。 水の存在により玄武岩が含水鉱物を作り変質するため。） プレートテクトニクスの開始 （海嶺でプレートが生まれ、海溝でマントルへ沈む） 原始生命誕生（38億年前の岩石に有機物生産の証拠） ・有害紫外線を避けた海水中に棲息 ・中央海嶺の熱水噴出孔（ブラックスモーカー） よりエネルギー得ていた ［丸山・磯崎］ ＊ 35億年前の海水総量は現在よりも30%も多い。 7.5億年前より、マントル内の低温化により、 沈んできた含水鉱物が脱水せず蓄積し始めたことによる。 8 地球進化史概観（3）27億年前 ［丸山・磯崎］ ［地学図表］ 地球磁場の急激な強化 ・“地球ダイナモ”（外核内対流）にスイッチが入る ・原因諸説あり。（固体核形成開始；マントル対流 が二層から一層へ；地球－月系の力学共鳴） （地球の歴史を通じ、27億年前と19億年前が、 もっとも激しい火成活動（マグマ生産）がおきた時代） 地表へ降り注ぐ宇宙線量の激減 生物は太陽光エネルギーの利用が可能に 浅い海へ移動し、酸素発生型光合成を開始 （シアノバクテリア（ラン藻類）によるストロマトライト層状岩石） CO2＋H2O＋光エネルギー 有機物＋O2 ［丸山・磯崎］ （呼吸と有機物の酸化により、正味のO2増はほとんどないが、 有機物が海底に沈殿し堆積岩に固定されると、海洋・大気中 9 で（わずかながら）正味のO2増となる。） 地球進化史概観（4）19億年前 放出されたO2はまず海水中に溶けていた 鉄イオンを酸化・沈殿 縞状鉄鉱層の形成（25～20億年前がピーク） その後、大気中O2濃度が徐々に増加 ・DNA酸化を防ぐ核膜を持つ真核細胞へ進化 ・酸化反応により発生する大きな化学 エネルギーを利用、大型化・多細胞化 地球の冷却が進み、マントル対流が組織化 （乱流的 二層対流 一層対流） スーパーコールドプルームの誕生 ・その周辺では全てのプレートが一点に集まる ・大陸の衝突・付加・融合 “ウィルソンサイクル” 超大陸の分裂から次の超大陸誕生まで （3～9億年周期） 19億年前： ヌーナ超大陸 10億年前： ロディニア超大陸 5.5億年前： ゴンドワナ超大陸 3億年前： パンゲア超大陸 10 ［丸山・磯崎］ （現在、アジアの下にスーパーコールドプルーム形成） 超大陸の消長とプルームテクトニクス ［丸山・磯崎］ 地球の冷却 マントル対流の組織化：マントルオーバーターン、プレートの巨大化 ・スーパーコールドプルーム 超大陸形成 寒冷化・氷河発達（？）、世界的大海退 ・ホットプルーム 火山活動、堆積盆地 粉塵による太陽光遮蔽（むしろ温暖化？） 光合成停止 海洋酸素欠乏イベント 生物大量絶滅 11 地球進化史概観（5）7.5～5.5億年前 7.5億年前：海水がマントルへ戻され始めた （マントル内部の温度が閾値を下回る） 海水総量が減少（現在も減少中） 海水準の低下（海退）（陸地面積5%30%） 陸上に巨大河川発達、大量の堆積物が海へ。 海底に大量の堆積岩生成。 海水塩分濃度増大； 大気中のO2量急増（＊） 4.5億年前オゾン層形成・地表紫外線量減少 ・浸透圧上昇により古来の生物は脱水・絶滅 ・酸素呼吸型の大型多細胞（硬骨格）生物出現 生物は海から淡水の河川、陸上へ進出 （様々な化石が堆積岩中に残されるようになる） （＊）現在O2は21%。23～35%を越えると植物は自然発火。 現在はO2が限界まで増加した状況。危険！ 酸化エネルギー利用可能； 人類は火を容易に利用。 全球凍結（“Snow Ball Earth”）の可能性 ・この時期、2回の大氷河期。氷河性堆積物が当時の赤道域にも。 ・理論研究よると、地球システムは、部分凍結状態（現在）、 無氷床状態（白亜紀など）、全球凍結状態（7.5、6億年前？）、 の3つの安定状態を取り得る（気候ジャンプ）。 12 ・“ice-albedo feedback”メカニズムが鍵。 ［丸山・磯崎］ ［丸山・磯崎］ 地球進化史概観（6）2.5億年前 P/T境界：古生代－中生代境界（2.5億年前）［内因］ ・地球史上最大の生物絶滅事件 （海棲無脊椎動物種の96%が絶滅） ・海洋酸素欠乏イベント（2000万年間）（還元鉄層の存在） ・超大陸パンゲアの形成 三つの事件をつなぐ地球物理学的仮説： 巨大ホットプルーム（パンゲア分裂開始、火山活動激化） 大気中の粉塵量増大 太陽光遮蔽 光合成衰微 （ 有毒火山ガス（CO2）、酸性雨（SO2）） 生物基礎生産に致命的打撃 食物連鎖の崩壊 ［地学図表］ K/T境界：中生代－新生代境界（6500万年前）［外因 . . .＋］ ・恐竜等爬虫類、裸子植物、アンモナイトの絶滅。 哺乳類、被子植物の優勢化 13 ・直径10kmの巨大隕石の衝突巨大津波、粉塵による太陽光遮蔽、酸性雨 . . . ＋寒冷化 地球進化史概観（7）700万年前 ［地学図表］ 700万年前： アフリカで人類が誕生。チンパンジーと分化。 （直立二足歩行、犬歯の縮小） 250万年前： 石器の作製、脳の大型化開始 （この間、体毛の喪失、火の使用） 20万年前： アフリカで新人（ホモ・サピエンス）誕生。シナイ半島 を通り、各地へ拡散。多様化。（言語の使用、芸術） 1.2万年前： （最終氷期終了） 農耕の発明。 5000年前： 四大文明 400年前： 産業革命。工業と科学の発明。 気候改変・大量絶滅 14 ［丸山・磯崎］ ［丸山・磯崎］ 大気・海洋の生成と変化 ［ 海洋 ］ 原始海洋形成（44～43億年前） CO2飽和の状態で始まる O2は幾つかの不連続増加を示す 35億年前 27億年前：光合成開始。鉄酸化 縞状鉄鉱層形成 21億年前 5.5億年前：急増。藻類浅海へ 塩分濃度増大：7.5億年前 海水準低下大陸地殻侵食 （ 生物界に多大なインパクト） ［ 大気 ］ 原始海洋形成（44～43億年前） 大気中H2O激減。 大気中CO2分圧も10～30気圧程度まで下がる （cf. 現在の金星が90気圧） 以降、40億年強かけて0.0003気圧まで下がる ・岩石起源Caイオンと結びつき、炭酸カルシウムが沈殿 ・27億年前の光合成開始 生物遺骸の沈殿・堆積岩化 O2： 5.5億年前に急増。同時にオゾン層形成開始 15 N2： ほぼ変化なし。生物遺骸の堆積岩化により多少減 まとめ ー 地球進化史 ー • 年代決定の技術2種 • 年代・時間軸：化石と地球物理学的考察と • 地球史七大事件 （１）地球の誕生、（２）海洋・プレート・生命の誕生、 （３）磁場・光合成、（４）真核生物・超大陸、 （５）海水減少・化石出現、（６）生物大量絶滅、（７）人類 • 地球史：冷却の歴史。構造化・組織化 • 生命の歴史：固体地球と宇宙の変動に支配。 大量絶滅と新しい生物群の繁殖・拡散 • 生物圏による地球表層環境の改変： 大気・表層の酸化、オゾン層形成、 人類による大気組成改変、などなど 16
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