古代の岩石は地球が初めて酸素を吸い込んだ物語を秘めている

地球の大気は、常に現在のような状態だったわけではありません。私たちにとって非常に重要な酸素も、常に存在していたわけではありません。 実際、地球の歴史の前半から現在に至るまで、地球の大気は金星の有毒なもやと非常によく似ており、酸素の痕跡はほとんど見られなかったかもしれない。

すべてが、23億年前のある時期に、突然変わった。科学者たちは、シアノバクテリアと呼ばれる微生物が光合成を利用して、文字通り地球をテラフォーミングするのに十分な酸素を排出し始めたと一般的に考えている。これは、大酸素化イベント（GOE）と呼ばれている。

「これは地球の歴史上、巨大な気候の変化、環境の変化であり、私たちが経験した中で最大のもの」とダートマス大学の地球科学者サラ・スロッツニック氏は言う。

しかし、GOE がどのように起こったかについては、未解決の疑問が数多くある。そして今、古代の岩石に手がかりを見つけたスロッツニック氏と同僚の研究は、GOE の性質に関する科学者のこれまでの仮説の一部を覆した。研究者たちは、GOE の前に初期酸素の「におい」が何度かあったと想定していたが、この新しい研究は、GOE が一度に起こったことを示している。研究著者らは、1 月 5 日に Science Advances 誌に論文を発表した。

岩を掘る

始生代と呼ばれる時代で最古の恐竜の10倍も古いこの時代をさかのぼって年代測定するのは簡単ではない。最初の植物や動物が現れるのは、さらに10億年以上も先のことだ。ほとんどの大陸はまだ形成されておらず、形成された大陸のほとんども私たちには認識できない。

この時代を研究するには、非常に古い岩石の中に証拠を探す必要があります。たとえば、大気中に酸素があれば、岩石内の物質と反応して、地質学者が見つけられる痕跡を残します。あるいは、岩石が海の下にある場合、大気は海中の物質と反応し、最終生成物は海底に沈んでそこに留まります。

酸素が到来すると、岩石中の鉄は酸化鉄に変わり、これが錆びと呼ばれるものです。モリブデン、レニウム、硫黄などの他の元素も変化を示しますが、科学者たちはその変化の原因が必ずしも分かっているわけではありません。

「地質学的記録は地球の歴史のスナップショットを提供するだけだ」と、この研究には関わっていないハーバード大学の地球科学者デビッド・ジョンストン氏は言う。「過去に遡れば遡るほど、こうした記録は不完全になる」

しかし、適切な場所を探せば、大陸の最も古い部分で、これらの特徴を示すのに十分なほど古い岩石を見つけることができます。2000 年代初頭までに、これらの特徴は、GOE の単一の始まり、つまり約 23 億年前を示していました。

[関連: ダイヤモンドには地球の太古の大気の残骸が含まれている]

この最新の論文を執筆した科学者にとって、その場所こそが西オーストラリア州北部のピルバラ地域だ。そこの岩石には、地球上で最も古い生命の証拠、35億年前の小さな化石が保存されている可能性がある。

岩を訪ねる

2004年、NASAの支援を受けた取り組みにより、ピルバラの中でも特に保存状態の良いマウント・マクレー・シェール層から、ドリルコアと呼ばれる円筒形の標本が採取された。「『保存された』という言葉は、保存された古代の文書について話すときと同じような意味で使います」とスロッツニック氏は言う。その文書は高熱で消えておらず、その素材は山の隆起によって押しつぶされてもいない。

そしてジョンストン氏は、シェールは上空の海を垣間見るのに「最適な味」だと言う。

このコアが地中から引き抜かれた後、科学者たちは岩石を徹底的に調べ、歴史上のさまざまな時点におけるその存在を調べた。2007年、硫黄、モリブデン、レニウムを調査していた科学者たちは、このサンプルにGOEよりかなり前の酸素の証拠を発見したと発表した。

この時点では、GOE は数十年にわたって確立されていましたが、それ以前に酸素が大気中にあったという考えは新しいものでした。これは、GOE が 1 つの出来事で起こったのではなく、5000 万年以上前に「匂い」が起こった可能性を示唆していました。

そして、それ以来、こうした「気配り」は地域社会に受け入れられるようになった。「地球科学の入門クラスで教えられるようになってきていると思います」とスロッツニック氏は言う。

岩石を再び訪ねる

過去 15 年間、同じマウント マクレー シェール ドリル コアは 6 本以上の論文の主題となってきました。その多くは、セレンやオスミウム、水銀などの重金属など、他の元素の変化を研究したものです。しかし、研究者が観察している現象の背後にある化学反応は、よく理解されていないことが多く、科学者たちは特定の信号が何を意味するのかよくわかっていませんでした。

もう少し明確にするために、スロッツニック氏と同僚たちは自分たちで試してみることにしました。彼らはそのコアから独自のサンプルを採取し、シンクロトロン（特にX線などの非常に明るい光源）で岩石サンプルを調べるなど、いくつかのテストを行いました。

彼らが見つけたのは、「空振り」理論に真っ向から反論する新たな証拠だった。GOE とは関係のない出来事が、以前の研究で「空振り」と誤って考えられていた兆候を実際に生み出したのだ。例えば、「空振り」という考えを生み出すのに不可欠だったモリブデンは、実際には火山から来たものだと、スロッツニック氏と共著者は考えている。

「これは確かにマウント・マクレー（頁岩）内に酸素の『匂い』があるという主張に大きな挑戦を投げかけています」とジョンストン氏は言う。「そして、今後これらの仮説をどう検証していくかについての素晴らしいロードマップを提供してくれます。」

前進するということは、より多くのことを学ぶということだけではありません。この研究は、過去数年間にこの岩から得られた他のデータの一部を再解釈するのにも役立つことを意味します。

スロッツニック氏は、世界の岩石の中でも特に古い場所である南アフリカから採取した他の掘削コアを使って、地球の歴史におけるこの太古の時代をさかのぼって調べる計画を立てている。

「素晴らしい時代だったと思います」と彼女は言う。「特に何が原因なのかを理解しようとすると、多くのことを学び、掘り下げることができます。それが大きな疑問なのです。」