酸素を吸うのが楽しいですか？月に感謝しましょう。

もしタイムトラベラーが古代の地球、たとえば現在より約30億年前の地球に遡れるなら、生命維持装置を持っていくのが賢明だろう。なぜなら、当時の地球には酸素がほとんどなく、すぐに窒息してしまうからだ。呼吸できる空気がなければ、タイムトラベラーは、太陽が16～17時間ごとに昇るという、古代地球のもう一つの特異性を目撃するまで生き延びられないだろう。現在、新しい理論では、日照時間が短いことと酸素が極端に少ないことが単なる偶然以上のものである可能性があるとされている。

研究者たちは、地球の酸素が時間の経過とともに停滞して増加しているように見える理由について長い間頭を悩ませてきた。地球には酸素がほとんど存在しなかったが、約20億年前に突然現在の酸素量の数パーセント程度まで増加したようで、この出来事は「大酸化イベント」と呼ばれている。

次に、科学者が退屈な10億年と呼ぶ期間、酸素は横ばい状態になり、その後再び急増した。呼吸できる酸素がこれほど豊富にあるのは誰のおかげだろうか？生物学者は、太陽光からエネルギーを生成しながら酸素を放出する光合成微生物のおかげだと考えている。

ただし、タイミングがまったく間違っている。このような微生物は、最初の酸素の急増よりもずっと前に進化した可能性が高く、退屈な10億年の間に何がその成長を遅らせたのかは明らかではない。

「酸素発生型光合成が酸素の増加を促進しているのなら、なぜこれほど長い間増加が止まり、その後再び増加を再開したのか」と、ドイツのライプニッツ熱帯海洋研究センターの生態学者でデータ科学者のアルジュン・チェンヌ氏は言う。

月が地球に酸素を供給した理由

長年にわたり、酸素の急激な増加を説明する多くのアイデアが生まれてきた。酸素を吸収する火山ガスが減少した可能性もある。あるいは、初期の環境にシアノバクテリア（酸素を生成する微生物）が繁殖するのに必要な栄養素が不足していた可能性もある。

しかし、現在マックス・プランク海洋微生物学研究所の微生物学者であるジュディス・クラット氏の好奇心を刺激したのが、ある示唆に富む偶然だった。酸素レベルが上昇するにつれて、日が長くなっていったのだ。

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地球は誕生当初、およそ 6 時間ごとに 1 回転していました。しかし、海が形成され、月の引力によって海が地殻上で前後に揺れ動くようになると、摩擦によって地球の自転周期は徐々に長くなり、現在では 24 時間となっています (また、日も長くなり続け、毎年 10 万分の 1 秒ずつ伸びています)。

しかし、この極めて緩やかな減速は、一定ではなかった。一般的な説によれば、海と大気の2種類の潮汐が互いに反発し合い、中和し、おそらく10億年の間、1日の長さを21時間で一定に保ってきたという。この休戦状態は、偶然にも退屈な10億年と、その前後の酸素増加と一致する。

クラット氏は、その時代の微生物が日照時間の延長にどのように反応したかを詳しく調べるために、チェヌ氏に連絡を取った。ミシガン大学での博士研究員時代から、同氏は微生物マット、つまり地球の歴史の大部分にわたって沿岸の岩や堆積物に付着していた数ミリメートルの薄さのシアノバクテリア層やその他多数の生物について熟知していた。同氏は、それらの酸素生成が日照時間に依存しているのではないかと考えた。

チェンヌが考案したモデルは、それが可能であることを示唆している。重要なのは、酸素生産が昼間の光の変化の速さに左右されるということだ。地球の自転が速すぎると、シアノバクテリアは日没までに酸素生産を最大にまで高めることができなかった。しかし、地球の自転が遅くなると、シアノバクテリアは酸素生産能力を最大限に発揮できるようになった。

「これは非常に小さな影響だが、何百万年もの間、太陽が照っている毎日に作用すると、地球規模で重要な変化を生み出す可能性がある」とチェンヌ氏は言う。研究チームは月曜日、ネイチャー・ジオサイエンス誌に研究結果を発表した。

ダイバーたちは、自分たちの単純なモデルを現実の混乱と照らし合わせて検証するため、ヒューロン湖から微生物マットのサンプルを採取した。このマットは、マット上部の太陽光を吸収する最適な位置をめぐってシアノバクテリアと競合する微生物を含む、多くの種類の微生物が共存する複雑なコロニーだった。

研究者らが人工照明を使用して日照時間を12時間、16時間、21時間、24時間にシミュレートしたところ、マットは最も長い日に最も多くの酸素を排出し、実際のところ、当初のモデルで予測された量よりも多かった。

過去へのさらなる手がかりを求めて未来に目を向ける

研究者らは、自分たちの結論はいくつかの仮定に基づいていると指摘する。例えば、化石記録が示唆するように、微生物マットは豊富にあったに違いない。しかし、はるか昔の地球の自転速度や酸素の豊富さに関する研究者の知識も、かなり曖昧で状況証拠に過ぎない。

「ずいぶん昔のことです」とクラット氏は言う。「最古の岩石は38億年前のもので、非常に珍しいものです。」

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しかし、地球の自転の減速の一時停止が本当に「退屈な10億年」と一致するなら、残りの部分は彼らの理論で解決できる。日が長くなると酸素が増え、シアノバクテリアが地球の自然な酸素吸収能力を克服し、大酸化イベントを引き起こした。その後、自転は「退屈な10億年」の間安定し、最終的に日が再び長くなり始め、酸素が再び増加した。ずっと後になって、森林が芽生え、酸素が現代のレベルまで増加した。

クラット氏は、大酸化イベントを説明する以前の理論も寄与した可能性があると語る。昼の長さに関する新しい考え方は、それらの影響と競合するのではなく、それらの影響を増大させる。「おそらく、同時に機能しているメカニズムは無数にある」とクラット氏は言う。

研究チームは次に、日々の酸素生産が大気の長期的な変化にどうつながるかという単純な推定を他の研究者がさらに推し進めてくれることを期待している。また、地球の原始時代のより鮮明なスナップショットとなるかもしれない、まだ発見されていない古代の岩石の埋蔵も期待している。また、将来のミッションで回収される月の岩石には、月が潮汐によって地球の速度を長期にわたって遅くしてきた様子のより詳細な記録が含まれている可能性がある。これらの証拠のどれかひとつでも、地球の自転と私たちが呼吸する空気とのつながりを明らかにする可能性がある。

「このメカニズムが、この退屈な10億年の問題を考える上での要となることを期待しています」とチェンヌ氏は言う。