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2018年11月12日 (月)

40億年前の地球は生命誕生の「温床」だった~地球のタイムカプセル「ジルコン」から探る生命の起源~

地球上の最初の生命誕生はどのような環境で起こったのか。
参照記事にあるジルコンという鉱物は初めて知ったが、同位体を持つケイ素と酸素から構成されるこの物質が、初期の生命起源の温床となった可能性があるという。
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 40億年前の地球はどんな姿をしていたのだろうか。そのヒントをくれるのが、ジルコン(ZrSiO4)という非常に頑丈な鉱物だ。
 ジルコン結晶は破壊することがほぼ不可能で、古いものは44億年近く前から存在する。小さなタイムカプセルとも言えるこのジルコンの中には、太古の化学的な「指紋」が残されている。「ジルコンは、わたしたちに地球の形成段階を垣間見せてくれる唯一の窓です」と、米ロチェスター大学のダスティン・トレイル氏は言う。
 9月24日付け学術誌『米国科学アカデミー紀要(PNAS)』に発表された論文において、トレイル氏のチームは、40億年前の地球表面が正確にはどのような状態にあったのかを明らかにした。最初の生命が誕生した環境が徐々に解明されようとしている。
●絶えずリサイクルする地球
 地球が形成された45億年以上前、表面の状態は現在とはまるで違っていたと考えられる。科学者たちが一般に考える初期の地球とは、ひっきりなしに隕石が降り注ぎ、火山からは溶岩がゴボゴボと音を立てて流れ出す、地獄のような場所だ。
 しかしこれらはすべて推測であり、地球最初期の数億年間から現在に至るまで残っている物理的な証拠は何もない。地球は究極のリサイクル・システムを持っており、プレートテクトニクス運動により、古い岩盤は絶えず新しいものとして再利用され、溶岩流が固まって新たな景色を形作っている。
 ジルコンの結晶はしかし、非常に硬いため、このリサイクル・プロセスにおいてさらされる非常な高温や高圧力に耐えることができ、その内部には結晶が最初に形成されたときの周囲の環境に関するヒントが残されている。ジルコン酸素同位体を用いたこれまでの研究では、43億年ほど前には、地表の一部を液体の水が覆っていたことがわかっている。これはつまり、地球の表面が、地球形成からわずか数億年後には冷えていたことを示唆している。そして昨年には、41億年前のジルコンから、初期の生命の痕跡とも考えられる炭素に富んだ含有物が見つかった。
 しかし、こうしたわずかな情報以外には、この時期の地球表面で生命を生み出すような化学反応が起きていたかどうかについては、ほとんどわかっていなかった。
●ジルコンに含まれる40億年前のヒント
 その答えを求めてトレイル氏のチームが注目したのが、ケイ素と酸素だ。ケイ素と酸素は、両方合わせると、今日の地球に存在する岩石のほぼ75パーセントを占める。この二つの元素にはまた、調べがいのある特性がある。ともに、同位体を持つことだ。
 岩石ができたり変性したりすると、そこに含まれる同位体の特性が変化する。よってたとえば、溶岩が冷えてできる岩と、風雨にさらされた岩から採取される粘土とでは、含まれる同位体の特性は大きく異なる。そしてジルコンは、地球初期の堆積物の特性を今も有している。
 ジルコンに含まれるケイ素と酸素を精密に分析するため、研究チームは、米カリフォルニア大学にある高解像度イオンマイクロプローブを使用した。電荷を帯びた原子のビームを微小なサンプルに当て、跳ね返ってくるイオンを計測するものだ。
 研究チームは今回の分析のために、オーストラリア西部のジャックヒルズ地域から、40億年以上前のジルコンだけを採取した。ジルコンひとつの大きさは、幅が100ミクロン、つまり人間の髪の毛程度だ。研究者らはこの古代の鉱物の化学的性質を、性質がよくわかっているジルコンと比較し、同位体の割合の違いを解釈するための手がかりとした。
●水と岩の相互作用があった
 分析にかけられた古代のジルコンの半分以上が、初期にさまざまな環境下において、水と岩の間で相互作用があったことを示していた。
 一部のジルコンには、岩が水にさらされて粘土となった化学的痕跡が見られた。このほか、融解した鉱物の痕跡を含むジルコンもあった。こうした融解鉱物は、湖や海の中で結晶化して、チャートや縞状鉄鉱床のような岩を形成する。また別のジルコンからは、蛇紋岩化と呼ばれるプロセスの痕跡が見つかっている。蛇紋岩化の過程では、水が鉄やマグネシウムの豊富な岩と反応し、水自体が鉱物組織の中に取り込まれる。
 さらに重要なことは、これらそれぞれのプロセスが、新たな環境的ニッチを生み出していた可能性があることだ。つまり、初期の生命が誕生する温床、生化学反応が起きる環境となっていた可能性が出てきた。
「これは見事な結果です」と、米カリフォルニア大学の地球科学者、エリザベス・ベル氏は言う。ベル氏は、2017年の研究において、41億年前のジルコンから生命の痕跡を発見している。今回の研究成果は、ベル氏の発見をはじめさまざまな初期地球の解釈を裏付けるものだ。「すべてがちょうどいいところに収まったという印象です」
 トレイル氏は言う。「わたしたちは今、非常に興味深い地点にいます。地球が40億年前にどんな姿だったのか、その全貌がいよいよ見え始めようとしているのです。実にわくわくしますね」
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二郎板 

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