クアンタマガジン

2018年1月22日

後期重爆撃の間、若い地球はどのように見えたのか。

NASAのゴダード宇宙飛行センター

寄稿者

2018年1月22日

北回帰線に沿った、太陽が降り注ぐ乾燥したオーストラリア北西部の角で、地球の最も古い面が空に露出しています。 海岸沿いのポート ヘッドランドの南、北のアウトバックをしばらくドライブすると、時間とともに柔らかくなった丘が現れます。 これらは、地球がまだ若かった約 35 億年前に形成されたピルバラ クラトンと呼ばれる地域の一部です。

もっと近くで見てください。 これらの丘の 1 つの継ぎ目からは、古代のオレンジ色がかったクリームシクルの岩がごちゃ混ぜになって流れ出ており、それがアペックス チャートと呼ばれる堆積物です。 この岩石の中には、顕微鏡でしか見ることができない小さな管があります。 竜巻を描いた岩面彫刻のように見えるものもあれば、竜巻を描いた岩面彫刻のように見えるものもある。 他のものは平らになった虫に似ています。 これらは、これまで地球上で収集された岩石サンプルの中で最も物議を醸しており、これまでに発見された最古の生命体を代表するものである可能性があります。

先月、研究者らは、これらの形態の性質に関する数十年にわたる議論に再び一斉射撃を加えた。 ウィスコンシン大学の地球化学者ジョン・バレー氏によると、これらは確かに化石生命であり、その起源は34億6,500万年前に遡るという。 バレーと彼のチームが正しければ、化石は地球の激動の若い頃の著しく初期に生命が多様化したことを示唆していることになる。

化石は、古代地球の新たな物語を示す発見の波に加わります。 過去1年間、別々の研究チームが、3.7億年前、3.95年前、さらには42億8,000万年前までの生命が含まれている可能性のある岩石の破片を掘り出し、粉砕し、レーザー照射した。 これらすべての微化石、またはそれらに関連する化学的証拠は、激しく議論されています。 しかし、それらはすべて伝統的な物語に疑問を投げかけています。

その話によると、地球が形成されてから 5 億年の間、地球は地獄のような暑さでした。 生まれたばかりの世界は火山活動によって引き裂かれ、他の惑星の破片が衝突したため、非常に恐ろしく、生物にとって住めない環境となっていたため、地質時代はギリシャの冥界を意味する冥王代と呼ばれている。 約38億年前に特に激しい小惑星の集中攻撃が終わるまで、生命は進化できなかった。

しかし、この話はますます批判を浴びています。 現在、多くの地質学者は、地球は最初からぬるま湯で水っぽい状態だったのではないかと考えている。 記録にある最古の岩石は、44億年前までに地殻の一部が冷えて固まったことを示唆している。 これらの古代の岩石に含まれる酸素は、地球には 43 億年前まで水があったことを示唆しています。 そして、画期的な最終的な砲撃の代わりに、太陽系が現在の構成に落ち着くにつれて、隕石の衝突は徐々に減少した可能性があります。

「実際、初期の段階では、ある意味、物事は現代の世界にかなり似ていました。水があり、潜在的には安定した地殻が存在していました。居住可能な世界と、ある種の生命が存在していた可能性が完全に不可能というわけではありません。 」とカリフォルニア大学ロサンゼルス校の地球化学者エリザベス・ベル氏は語った。

古代の地球と月から得られた最新の証拠を総合すると、非常に異なる冥王代の地球の姿が描かれています。それは、頑丈で温帯で、隕石のように透明で水の多い世界、最初からエデンの園であったということです。

約45億4000万年前、地球は太陽の誕生時に残った塵や岩石から形成されていました。 小さな太陽の残り物が継続的に赤ちゃん地球に降り注ぎ、地球を加熱し、放射性物質を与え、地球を内部からさらに温めました。 マグマの海が地球の表面を覆いました。 当時、地球は岩石の惑星ではなく、白熱した溶岩の球でした。

地球が合体して間もなく、わがままな惑星が信じられないほどの力で地球に衝突し、地球を新たに蒸発させて月を形成した可能性があります。 隕石の衝突は続き、一部では直径1,000キロメートルのクレーターが掘削された。 冥王代の標準的なパラダイムでは、これらの攻撃は、小惑星が太陽系内部に移動し、岩石惑星を衝突させる、月の大変動としても知られる後期重爆撃と呼ばれる攻撃で最高潮に達しました。 約38億年前に終わったこの初期の時代を通して、地球は溶けて、生命はおろか固体の岩の地殻を支えることもできなかった。

Quanta Magazine を受信箱に届けてください

Lucy Reading-Ikanda/Quanta Magazine

しかし、約 10 年前から、主にジルコンと呼ばれる小さな結晶のおかげで、この物語は変わり始めました。 多くの場合、この文の最後にある時代とほぼ同じ大きさの宝石は、43 億年前まで遡る、涼しく湿った、おそらく住みやすい世界を物語っています。 近年、古代の岩石中の化石により、穏やかな気候に関するジルコンの物語が裏付けられました。 ピルバラ クラトンの竜巻微化石は、最新の例です。

現在、生命の可能性を示す最古の証拠は、多くの科学者が疑問を抱いているか、完全に否定しているが、少なくとも37億7,000万年前のものであり、42億8,000万年前という驚くべき古代のものである可能性がある。

2017年3月、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの地球化学者ドミニク・パピノー氏と彼の学生マシュー・ドッド氏は、ケベック州の露頭で地球の歴史の地下に遡る管状の化石について説明した。 Nuvvuagittuq (noo-voo-wog-it-tuck) グリーンストーン ベルトと呼ばれるこの地層は、地球の原始的な海底の断片です。 化石は人間の髪の毛の約半分の幅、わずか0.5ミリメートルの長さで埋められていた。 これらはヘマタイトと呼ばれる酸化鉄から作られており、最大42億8000万年前に微生物群集によって構築された化石化した都市である可能性があるとドッド氏は述べた。

「彼らは通気口の周りの岩の上にゼラチン状の錆びた赤色のマットを形成しただろう」と彼は言う。 同様の構造が今日の海洋にも存在しており、太陽の当たらない黒い煙を吐き出す煙突の周りに、微生物や血まみれのチューブワームの群落が花を咲かせています。

ドッド氏は、グラファイトの近くに、有機物質を含む小さな炭素の環である炭酸塩「ロゼット」を備えたチューブを発見した。 ロゼットはさまざまな非生物学的プロセスを通じて形成されますが、ドッド氏はアパタイトと呼ばれる鉱物も発見し、これは生物学的活性の診断に役立つと述べました。 研究者らは、グラファイト内の炭素の変異体、つまり同位体も分析した。 一般に、生物はより軽量の同位体を使用することを好むため、炭素 13 よりも豊富な炭素 12 を使用して、過去の生物活動を推測できます。 ロゼット近くの黒鉛も生命の存在を示唆していました。 ドッド氏は、これらのチューブとその周囲の化学的性質を総合すると、それらが深海の熱水噴出孔の近くに生息していた微生物群集の残骸であることを示唆していると述べた。

地質学者たちは、それらが発見された岩石帯の正確な年齢について議論していますが、地球上で最古ではないにしても、最古の鉄層の一つが含まれていることに同意しています。 これは、化石もそれほど古いものであることを示唆しており、これまでに発見されたものよりもはるかに古く、多くの科学者が可能だと考えていたよりもはるかに古い。

微化石は、深海の熱水噴出孔の近くで育つ海洋生物に似ています。

マシュー・ドッド

そして2017年9月、日本の研究者らは、カナダのラブラドルにあるサグレックブロックと呼ばれる39億5,000万年前の堆積岩から採取されたグラファイトフレークの調査結果を発表した。 東京大学の佐野雄二氏と小宮毅氏は、黒鉛の炭素同位体比は、それも生命によって作られたことを示していると主張した。 しかし、黒鉛の薄片には化石のような特徴は何も伴っていませんでした。 さらに、周囲の岩石の歴史は曖昧であり、炭素が見た目よりも若い可能性があることを示唆しています。

さらに東のグリーンランド南西部でも、別のチームが古代生命の痕跡を発見した。 2016年8月、オーストラリアのウロンゴン大学のアレン・ナットマンらは、37億年前の微生物の化石であるストロマトライトを発見したと報告した。

グリーンランド南部のイスア帯で古代の微化石を探査するアレン・ナットマン。

ローレ・ゴーティエ＝プタラズ

多くの地質学者はそれぞれの主張に懐疑的だ。 たとえばナットマンの化石は、地球上で知られている最古の堆積岩があるグリーンランド南部のイスア帯から産出される。 しかし、イスアベルトを解釈するのは難しい。 非生物学的プロセスがドッドの炭素ロゼットを形成するのと同じように、基礎化学は生命の助けなしに多くの層状構造を形成する可能性があり、それらはストロマトライトではなく、生命のないふりをするものである可能性があることを示唆しています。

さらに、ヌブアギトゥク グリーンストーン ベルトとイスア ベルトはどちらも、何十億年にもわたって加熱され押しつぶされ、その過程で岩石が溶けて再結晶し、元の堆積状態から変形しました。

「他の研究が間違っているとは思わないが、どれも証拠ではないと思う」とウィスコンシン州の研究者バレー氏は語った。 「私たちが言えるのは、（ナットマンの岩は）ストロマトライトのように見え、それが非常に魅力的であるということだけです。」

しかし、ピルバラ・クラトン化石の研究に関しては、バレー氏はそれほど慎重ではない。

竜巻の微化石は、出生岩から分離されるまで、ピルバラ クラトンに 34 億 6,500 万年間眠っており、箱に詰められてカリフォルニアに輸送されました。 UCLAの古生物学者ウィリアム・ショップは1993年に奇妙な波線の発見を発表し、サンプル中に11の異なる微生物分類群を特定した。 批評家らは、この形状は非生物学的プロセスで作られた可能性があると主張し、それ以来、地質学者らは長年にわたって議論を行ってきた。 昨年、ショップ氏は二次イオン質量分析計と呼ばれる同位体比を測定するための超高感度機器の専門家であるバレー氏にサンプルを送った。

バレーのチームは、見かけの化石の一部が現代の光合成細菌と同じ炭素同位体比を持っていることを発見した。 他の 3 種類の化石は、メタンを食べる微生物またはメタンを生成する微生物と同じ比率を持っていました。 さらに、同位体比は、ショップによってすでに同定されていた特定の種と相関しています。 これらの同位体比が測定された場所は微化石自体の形状に対応しており、これらは物理的にも化学的にも化石のように見える最古のサンプルであるとバレー氏は付け加えた。

ウィスコンシン大学マディソン校の質量分析計研究室にいるジョン・バレー氏。

ジェフ・ミラー / カリフォルニア大学マディソン校

これらは記録にある最古のサンプルではありませんが、ドッド、小宮、ナットマンによって説明された岩石の出所を受け入れると仮定すると、ショップとバレーのサイクロンのミニチュアには重要な違いがあります。それは、それらが多様であるということです。 非常に多くの異なる炭素同位体比の存在は、この岩が原始的な生物の複雑な群落を表していることを示唆しています。 生命体には、無限の反復へと進化する時間があったに違いありません。 これは、それらが 34 億 6,500 万年前よりもさらに古くに誕生したに違いないことを意味します。 そしてそれは、私たちの最古の祖先は確かに非常に古いことを意味します。

化石は、初期の地球が地獄ではなく楽園であった可能性を示す最初の兆候ではありませんでした。 岩石自体は 2001 年にその証拠を示し始めました。その年、バレーは、この惑星の地殻が 44 億年前まで遡ることを示唆するジルコンを発見しました。

ジルコンは、シリコン、酸素、ジルコニウム、および場合によっては他の元素を含む結晶鉱物です。 それらはマグマの内部で形成され、いくつかのよく知られた炭素結晶と同様に、ジルコンは永遠に存在します。ジルコンは、形成された岩石よりも長持ちし、言葉では言い表せないほどの圧力、侵食、変形に耐えることができます。 その結果、これらは冥王代から残された唯一の岩石であり、非常に貴重なタイムカプセルとなっています。

バレー氏は西オーストラリア州のジャックヒルズから一部を削り出し、その結晶が液体の水によって変化した物質から形成されたことを示唆する酸素同位体を発見した。 これは、地球の地殻の一部が、既知の最古の堆積岩よりも少なくとも 4 億年前に冷却され、固化し、水を蓄えていたことを示唆しています。 液体の水が存在するなら、海全体が存在した可能性が高いとバレー氏は述べた。 他のジルコンも同様の結果を示しました。

「冥王代は地獄のようなものではなかった。それが我々がジルコンから学んだことだ。確かに火山はあったが、おそらく海に囲まれていただろう。少なくともある程度の乾燥した土地はあっただろう」と彼は言う。

ジルコンは、生命が存在した可能性さえ示唆しています。

2015年に発表された研究で、ベルと彼女の共著者らは、同じジャックヒルズで採取された41億年前の小さなジルコン結晶の中にグラファイトが埋め込まれているという証拠を発表した。 グラファイトの炭素同位体の混合物は生物学的起源を示唆しているが、この発見については、再び激しく議論されている。

「生命以外の説明はありますか? はい、あります」とベルは言った。 「しかし、これは、ある種の化石または生物起源の構造についての最も確実な証拠であると私は考えています。」

古代の岩石にある信号が真実であれば、生命は常にどこにでも存在していたことを私たちに伝えていることになります。 科学者が調べたほとんどすべての場所で、化石そのものの形であろうと、大昔の生命の活動の残骸であろうと、生命とその化学の証拠を発見しています。 うるさくて繊細とは程遠く、想像し得る限り最悪の状況で人生が定着したのかもしれません。

コロラド州ボルダーにあるサウスウェスト研究所の惑星科学者ビル・ボトケ氏は、「地球がこれまでに経験した最悪の影響に対処していると同時に、生命は興味深いことをなんとかやっていた」と語る。

またはそうでないかもしれません。 もしかしたら地球は大丈夫だったのかもしれない。 おそらく、それらの衝撃は誰もが思っていたほど急速なものではなかったでしょう。

私たちは、地球とその他すべてが過去に小惑星の衝突を受けたことを知っています。 月、火星、金星、水星はすべて、この原初の衝撃を目撃しています。 問題は、いつ、どのくらいの期間かです。

科学者たちは主に、月面歩行の宇宙飛行士が持ち帰ったアポロのサンプルに基づいて、地球の冥王代には太陽系ビリヤードの少なくとも 2 つの異なる時代があったと信じるようになりました。 1つ目は、惑星形成の避けられない副作用でした。惑星が最大の小惑星を一掃し、木星が残りの小惑星を主小惑星帯に集めるには時間がかかりました。

2番目は後で来ました。 それは太陽系誕生後 5 億年から 7 億年の間に始まり、最終的に約 38 億年前に縮小しました。 それは後期重爆撃、または月の大変動と呼ばれます。

地球化学のほとんどの事柄と同様、世界をひっくり返すような電撃、想像し得る限り最大規模の出来事の証拠は、非常に小さな出来事から得られます。 アポロ計画のサンプルに含まれるカリウムとアルゴンの同位体は、月の破片が形成から約5億年後に突然溶けたことを示唆している。 これは、寿命の1インチ以内に爆発したという証拠とみなされました。

ジルコンは、後期の地獄絵図の暫定的な物的証拠も提供します。 一部のジルコンには、何か恐ろしいことを示す可能性のある極度の熱と圧力の証拠である「衝撃を受けた」鉱物が含まれています。 多くは 30 億年より新しいものですが、ベル氏は約 39 億年前の急速で極端な加熱を示唆する 1 つのジルコンを発見しました。これは後期重爆撃の兆候である可能性があります。 「私たちが知っているのは、この時期に再結晶化したジルコンのグループが存在するということだけです。後期重爆撃との一致を考えると、おそらくこれが関連していると言わざるを得ません」と彼女は語った。 「しかし、それを本当に証明するには、地球上の他の産地のジルコンの記録を調べる必要があるでしょう。」

オーストラリアのカーティン大学のアーロン・カボシー氏によると、今のところ他に兆候は見られないという。

月のクレーターは後期の重爆撃の証拠とみなされているが、アポロの月の岩石からの地質学的証拠の再評価により、冥王代の小惑星の爆撃が考えられていたほど激しかったのかどうかに疑問が投げかけられている。

NASA

2016年、現在シカゴ大学に在籍するパトリック・ベーンケ氏は、数十年にわたり後期重爆撃を支持する主な証拠となってきたアポロのオリジナルサンプルを再度調べた。 同氏とUCLAのマーク・ハリソン氏はアルゴン同位体を再分析し、アポロの岩は出生時の月から結晶化して以来何度も揺れた可能性があり、そのため岩が実際よりも若く見える可能性があると結論づけた。

「たとえ分析上の問題を解決したとしても、アポロのサンプルが互いに隣り合っているという問題は依然として残る」とベーンケ氏は語った。 6 回のアポロ計画の宇宙飛行士が、1 回の小惑星の衝突で生じた岩石をサンプリングし、その噴出物が衛星の地球側全体に広がった可能性があります。

さらに、重力回復・内部研究所 (GRAIL) 宇宙船や月偵察オービターなどの月周回探査機は、43 億年前の早い段階での衝突の急増を含め、これまで知られていなかった約 100 個のクレーターを発見しました。

「軌道データとサンプルデータのこの興味深い合流点、そして月衝突ガラス、月のサンプル、アポロのサンプル、月の隕石など、あらゆる種類のサンプルデータがすべて一緒になって、39億という大災害的なスパイクではない何かを示しています。数年前に」とミシガン州アルビオン大学の惑星科学者ニコール・ゼルナー氏は語った。

ビデオ: デビッド・カプランと一緒に、太陽、地球、その他の惑星がどのようにできたかを示す仮想現実ツアーに参加してください。

クアンタ・マガジンとコーラス・フィルム

小惑星と太陽系の力学を研究しているボトケ氏は、修正された説明を考え出す数人の研究者の一人です。 同氏は現在、砲撃をゆっくりと増やし、その後徐々に減少させることを支持している。 後期砲撃はなく、月のクレーターやその他の岩体は、惑星建設の自然なプロセスである最初のタイプのビリヤードの名残であると考える人もいます。

「私たちはごくわずかなデータを持っているので、それを使って何かをしようとしているのです」と彼は語った。 「物語を作ろうとすることもあれば、ただ幽霊を追いかけているだけのこともあります。」

それが進行する間、科学者たちは初期の太陽系の力学よりもはるかに大きな問題について議論することになるでしょう。

新しい証拠のいくつかが本当に原始生活の印象を表しているのであれば、私たちの祖先は私たちが思っているよりもはるかに古いかもしれません。 生命は、惑星がそれに従順になった瞬間、つまり液体の水が保持できるほど冷えた瞬間に誕生した可能性があります。

「私は幼い頃に、生命が形成されるまでには何十億年もかかると教えられました。しかし、そのような発言の根拠を見つけることができませんでした」とバレー氏は語った。 「条件が居住可能になってから数百万年以内に生命が誕生した可能性は十分にあると思います。微生物の観点から見ると、百万年は非常に長い時間ですが、地質時代では瞬きに過ぎません。」

「43億年前に生命が誕生しなかった理由はない」と同氏は付け加えた。 「理由はないよ。」

39億年前の時点で大規模な不妊手術がなかった場合、あるいは数回の大規模な小惑星の衝突によって破壊が単一の半球に限定された場合、地球最古の祖先は地球誕生の最もぼんやりとした日々からここにいた可能性があります。 そしてそのことが、宇宙のどこかに生命が存在するという概念を、あまり信じられないものに感じさせます。 生命は私たちが思っているよりもはるかに簡単に恐ろしい状況に耐えることができるかもしれません。 定着するまでにそれほど時間はかからないかもしれません。 それは早い段階で頻繁に発生し、まだ宇宙に蔓延しているかもしれません。 管を作る微生物からうずくまるスライムまで、その無限の形態は、地球上の生命の様子を伝えるには小さすぎたり単純すぎたりするかもしれませんが、それらは劣らず本物であり、生きていることに変わりはありません。

訂正：2021年3月29日この記事の以前のバージョンでは、オーストラリアのポート ヘッドランドのスペルが間違っていました。

この記事は Wired.com と Spektrum.de に転載されました。

寄稿者

2018年1月22日

Quanta Magazine を受信箱に届けてください

メールの受信箱に配信される最も重要なニュースのハイライトを取得します

Quanta Magazine は、情報に基づいた実質的な市民的な会話を促進するためにコメントを管理します。 虐待的、冒涜的、自己宣伝的、誤解を招く、支離滅裂、または主題から外れたコメントは拒否されます。 モデレータには通常の営業時間 (ニューヨーク時間) にスタッフが常駐しており、英語で書かれたコメントのみ受け付けます。