生命の起源に関する一考察（４）

雄博会干住病院　松田源治

Ⅲ 地球の起原と進化

Ⅲ－ａ太陽系の生成

太陽系とは太陽とその太陽に基づく重力場内に存在する天体およぴ空間の総称であり，太陽を中心として，地球を含む惑星，衛星あるいは彗星などから構成されている。この太陽系の起原についてはいろいろな説があるが，ここではそれらの中の一つの仮説に従って述べることにする。
太陽系は今から大凡46億年前に一つの星の超新星爆発によって始まった。その星は太陽の８倍以上もの質量を有する重い星であったが，この爆発の衝撃により，ガスとチリとから成る星間雲の流動がおこり，星間雲の巨大な渦流を生じた。これが原始太陽系星雲である。これらの星雲はその万有引力（重力）によって，その中心部に集まっていった。そして，この中心部のガスやチリの密度は次第に上昇して，高温の巨大な核を生じた。中心部の温度が摂氏100万度に達すると，核融合反応が活発におこり，輝き始めた。すなわち，恒星としての原始太陽の出現である。
他方，原始太陽にとり込まれなかった残りの星間雲は原始惑星雲となって，原始太陽の周囲を回転していた。これらの惑星雲は次第に冷却するとともに，種々の鉱物粒子が析出してきた。さらに温度が下がると，水やメタンなどの軽い物質も氷結晶などの結晶として析出してきた。そして，これらの物質は鉱物粒子を中心として凝集して，太陽の周囲に偏平な濃密な層を形成した。この密度がある高度に達すると，小さな塊に分裂した。この小さな塊が微惑星（planetsimal）であり，これらの微惑星群が原始太陽系を埋めつくした。この膨大な数の微惑星群は互いに激しい衝突を繰り返しながら成長して，次第に惑星（planet）ヘと進化してきた。その間，衝突によって消滅した微惑星も多いと思われる。
また，原始太陽は微惑星の形成と平行して，太陽系のガスとチリの大部分を集めて，現在の太陽へと進化した。この太陽の半径は6.96 x 10⁸m，その質量は1.99 x 10³⁰kgとされており，太陽系の天体の全質量の実に99.87％を含めている。太陽を構成する元素としては，水素が大部分を占め、その次にヘリウムが多い。そして，主として水素の核融合反応によって，エネルギーを発生し，その中心部の温度は大凡1.4 x 10⁷Ｋ（絶対温度）と推測されている。また，地球表面に到達する太陽の放射エネルギーは2.00 cal/min/cm²と計算されている。前述の如く太陽の起原は大凡46億年前とされているが，今後，太陽はほぼ同じ期問，主系列星（main-sequence star）として存在し，その後徐々に赤色巨星に進化するといわれている。
太陽系の主な惑星としては，内側から水星（Mercury），金星（Venus），地球（Earth），火星（Mars），木星（Jupiter），土星（Saturn），天王星（Uranus），海王星（Neptune）および冥王星（Pluto）がある。これらのうち，内側の水星，金星，地球および火星は主として金属と岩石とから成り，地球型惑星と呼ばれる。これに対して外側の木星，土星，天王星，海王星および冥王星は岩石および金属を核として，さらに太陽系に残っていた水素やヘリウムを主成分とする原始惑星雲ガスをその外層に集めて，ガス惑星を形成した。これらは木星型惑星と呼ばれる。
上記の太陽系惑星の中で生命が発現したのは地球のみである。そこで地球については次節に述べるが，ここでは地球との比較のために，地球以外の太陽系惑星の特徴にっいて簡単に説明することにする。先ず水星は太陽に最も近く，太陽までの平均距離は0.387天文単位（ＡＵ）である。その直径は地球の0.38倍，質量は0.055倍である。水星表面の大気は希薄であり，その大気圧は地球の大凡3/1,000とされ，太陽に面する表面の温度は約430℃にもなるとされている。水星には衛星は認められていない。金星は水星の次に太陽に近い惑星であり，太陽までの平均距離は0.723天文単位（ＡＵ）である。その直径は地球の0.95倍，質量は0.815倍とされている。金星表面における大気の95％以上がＣＯ_２で占められ，Ｎ_２やＨ_２０なども認められている。そして，その表面温度は約470℃にも達する。金星には衛星は認められていない。
火星は地球の外側に存在し，太陽までの平均距離は1.524天文単位（ＡＵ）である。その直径は地球の0.533倍，質量は0.107倍とされている。火星表面の大気は希薄であり，大気圧は地球の大凡1/2,000，大気組成は金星に近い。火星表面における平均温度は地球に比して大凡20℃低い。火星には２個の衛星が認められている。
木星は火星の外側に位置し，太陽を中心とする軌道長半径は5.20天文単位（ＡＵ）である。その直径は地球の11.2倍，質量は地球の317.9倍であり，最大の太陽系惑星である。木星の大気の主成分は水素とヘリウムであり，その他にＣＨ_４，ＮＨ_３，ＣＯ，ＨＣＮ，Ｃ_２Ｈ_２なども認められている。そして，その表面温度は大凡140℃である。木星には16個の衛星が確認されている。
土星は木星の外側に位置し，太陽までの平均距離は9.539天文単位（ＡＵ）である。その直径は地球の9.4倍，質量は95.11倍であり，木星に次いで大きい太陽系惑星である。土星の大気の主成分は木星と同様に水素とヘリウムであり，ＣＨ_４やＮＨ_３なども認められている。そして，その表面温度は大凡-150℃である。また，土星には14個の衛星が確認されている。
天王星は土星の外側を公転している惑星であり，その軌道長半径は19.19天文単位（ＡＵ）である。その直径は地球の4.0倍，質量は14.56倍である。天王星の大気の主成分は水素とヘリウムであり，ヘリウムの存在は10～15％とされている。ＣＨ_４の存在も確かめられている。そして，その表面温度は大凡-190℃である。また，天王星には５個の衛星が認められている。海王星は天王星のさらに外側を公転しており，軌道長半径は30.06天文単位（ＡＵ）である。その直径は地球の3.94倍，質量は17.24倍である。海王星の大気の組成は水素とヘリウムを主としており，天王星によく似ている。また，海王星には２個の衛星が認められている。冥王星は海王星のさらに外側を公転しており，その軌道長半径は39.5天文単位（ＡＵ）であり，その質量は地球の大凡0.24倍とされている。その大気組成などはまだ明らかでない。冥王星には１個の衛星が確認されている。
太陽系の惑星である水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星，海王星および冥王星の出現の後，その後のそれらの惑星の進化の方向を決めたのは，主として，それらの惑星の太陽からの距離，大きさおよび質量であった。そして，それらの惑星は太陽の周囲の一定の軌道を公転しており，それらの軌道をはずれることはない。このような太陽と惑星との関係は，大まかに見ると，原子の中における原子核と電子との関係に似ており，太陽の万有引力（重力）と，それらの惑星が外に飛び出そうとする力との間にエネルギー均衡（energie balance）が保たれている。若し，それらの惑星の軌道を外側あるいは内側に変えようとするならば，膨大なエネルギーの吸収あるいは放出が必要であろう。

Ⅲ－ｂ地球の生成

地球の起原については，地球は高温のガス球から始まったとする高温起原説と，その後シュミット（Otto Schumidt）らによって出された低温起原説とがあるが，今回は主として後者の低温起原説に従って述べることにし度い。この地球の低温起原説においては前節の太陽系惑星の形成のところでも述べた如く，太陽系惑星の一つである地球は先ず低温の宇宙塵とガスの集合体である微惑星の一つから始まったとされている。この微惑星は周囲の微惑星を次々と集めて，その質量を次第に増し，原始地球へと進化してきた。この地球の起原は今から大凡45億年前と推測されている。例えば，パターソン（Claire C. Patterson）はウランー鉛測定法を用いて，地球の起原を45億5,000万年前と計算した。さらにアレグレ（Clande J. Allegre）は鉛を用いた測定法によって，地球はそれより１億2,000万年あるいは１億5,000万年後までも成長を続けたとしている。
地球は金星と火星との間を自転しながら公転しており，太陽との間の平均距離（長半径）は1.000001天文単位（ＡＵ）である。因に１天文単位は1.496 x 10⁸kmである。現在の地球の半径は大凡6,400kmであるが，同転楕円形であり，その赤道半径は極半径に比して大凡20km長い。また，質量は5.97 x 10²⁷g，平均密度は5.52g/cm³と計算されている。また，地球は１個の衛星（月）を有する。地球の起原より原始地球への進化とともに，地球内部の温度も上昇した。その熱源の主なもは微惑星の衝実エネルギー，地球の万有引力（重力）およびその中に含まれる放射性物質であったとされている。これらの地球内部の温度の上昇によって，地球内部にマグマ（magma）を生じ，さらに地球内部の構造が形成された。
地球の内部構造はその中心部より表面に向かって順次に内核（inner core），外核（outer core），マントル（mantle）および地殻（earth's crust）に分けることができる。これらの構造のうち，内核は主として個体の鉄とニッケルの合金から成り，外核は主として液体の鉄とニッケルの合金から成る。また，マントルと地殻は主として固体のケイ酸塩から成っている。そして，そのうちの地殻はマントルのケイ酸塩が部分的に融解した状態すなわちマグマ（magma）が地表付近で冷却され，固結してできたものである。従って，地球は中心部より表面に向かって順次に固体（内核），液体（外核）および個体（マントル・地殻）によって構成されるサンドウィッチ構造（Sandwich structure）をしている。地殻とマントルとの境界はモホロビチッチ不連続面（Mohorovicic discontinuity）とよばれる。地殻の表面からこの不連続面までの距離すなわち地殻の厚さは海洋部分では平均５km，陸地部分では平均35kmとされている。海洋部分の地殻は主として二酸化ケイ素の含有量が比較的少ない玄武岩がら成り，これに対して，陸地部分の地殻は主として，二酸化ケイ素の含有量が比較的多い花崗岩から成る。また，海洋部分においては約５kmの地殻上に，厚さ数百メートルの堆積物の層があり，さらにその上に平均して約４kmの海水の層が存在するので，海水の表面から約10kmの深さのところにモホロピチッチ不連続面が存在することになる。海面上に出ている陸地の高さは平均して８００ｍとされているので，陸地部分の地殻は海洋部分の地殻より可成り厚く，マントル内に深く沈み込んでいることになる。
前述の如く，地球の半径は大凡6,400kmであるが，この地球表面より大凡2,900kmだけ内部に進むと，外核に到達する。そしてモホロビチッチ不連続面からこの外核までの間がマントルの部分である。このマントルは個体のケイ酸塩から成るけれども，地質学的時間においては，粘弾性体としての流体の性質を示す。すなわち，マントル中に熱対流を生じ，大陸移動や造山運動をひきおこす。地球内部の温度は，地殻の底においては摂氏数百度から千度，マントルの底においては摂氏数干度とされている。

Ⅲ－ｃ地球の大気，海，陸地の形成

地球の生成と平行して，地球の周囲をとりまく大気，海および陸地の形成は，その後の生物の起原に密接に関係している。原始地球の大気の成因については，先ず地球表面に衝突する微惑星の中に含まれる水や炭素化合物が衝突の熱によって蒸発して地球の大気を形成したとする説がある。他方，地球内部のガスが熱せられて，噴出して，地球の大気を形成したとする説もある。おそらく，両方の成因が考えられるであろ
う。何れにしても，原始地球の最初の大気組成の大部分は水蒸気であったらしい。その他に，二酸化炭素，窒素，メタン，アンモニア，二酸化硫黄あるいは塩酸なども存在していたようである。それらの中で特に多かったのは二酸化炭素，その次に窒素であったとされている。
その頃，地球表面には無数の微惑星が次々と衝突していた。そして，それらによって多量の熱が発生した。しかし，これらの熱は大気の壁に阻まれて，宇宙空間に放出され難く，蓄積されて，地球表面の温度は次第に上昇していった。その高熱のために，地球表面の岩石が溶けて，地球表面にもマグマが形成された。しかし，その後，地球表面に衝突する微惑星の減少とともに，その衝突エネルギーは減り，地球表面および原始大気の温度は下降し，地球表面のマグマは次第に固まっていった。
地球表面の温度の下降に伴って，大気中の水蒸気は雨となって，地上に降り注いだ。おそらく，大洪水の状態になったであろう。このようにして，次第に海が形成されていったものであろう。他方，温泉や火山から放出された地球内部の水も海の形成に関与したであろうと思われる。今から大凡38億年前にはすでに地球表面には海が形成されていたと推測されている。この海の形成は地球の特色の一つであり，他の地球型惑星には認められてない。すなわち，前にも述べたように，水星および金星は太陽により近く，それらの表面温度は地球に比してより高く，水の沸点を越えるために，海は形成されていない。他方，火星には水が存在するが，太陽からの距離が地球に比して遠く，そのために火星表面の温度はより低く，大部分は凍っていると思われる。しかも火星の質量は地球のそれの約10分の１であり，火星表面の大気圧は地球のそれの大凡1/2,000に過ぎない。したがって，火星に存在する水の量は地球に比して著しく少ないと思われている。
この地球表面の海の中に陸地が出現した。陸地の起原は35億年前とも言われている。しかし，この地球上における陸地の起原の時期については，近年次第に早まりつつある。例えばムーアバス（Stephen Moorbath）らはグリーンランド西部で37～38億年前の岩石を発見したとしている。また，バウリン（Samel A. Bowring）は39億6,000万年前の岩石を北アメリカで，さらにコンプストン（William Compston）らは41～43億年前の岩石を西オーストラリアで発見したとしている。これらのことが事実とすれば，地球全体の進化課程をもう少し早めて考えなければならないかも知れない。
これらの陸地の形成の機構は次の如く考えられている。先ず，地下のマグマがその上の地層を突き破って，海中に出現し，海水に冷やされて固まり，一種の殻を形成した。さらにその殻の中から新しいマグマが上昇して，その上に新しい殻を形成した。このようなことを繰り返して，陸地を形成していったものであろう。また，ブレートの移動なども陸地の形成に大さく関与したであろう。
このようにして，地球表面に海が形成され，陸地が出現し始めた頃の原始地球の大気の組成は，現在の地球大気の組成とは大きく異なっていたであろうと推測されている。元来，天体の大気組成はその天体の表面温度，大きさおよび質量に関係している。従って，地球を含む太陽系惑星の大気組成は太陽からの距離，大きさおよび質量に関係することになる。
太陽系惑星の中で金星の大きさと質量は地球のそれらに最も近く，しかも金星の公転の軌道は地球の軌道のすぐ内側に存在する。従って原始地球の大気組成は現在の金星の大気組成に類似していたであろうと推測されている。そして現在の金星の大気組成の大部分は二酸化炭素（ＣＯ_２）であり，95～98％を占める。その他に窒素（Ｎ_２）が２～３％，水（Ｈ_２０）がo.1％程度含まれている。
ところが現在の地球の大気組成の大部分は窒素（Ｎ_２）であり，その大凡78％を占める。その次に多いのは酸素（０_２）であり，大凡21％を占める。これに対して，二酸化炭素（ＣＯ_２）は大凡0.04％を占めるに過ぎない。このように現在の地球大気においては二酸化炭素（ＣＯ_２）が著明に減少し，他方，酸素（０_２）が著明に増加している。それでは，この地球大気における二酸化炭素の減少と酸素の増加はどのような機構によっておきたものであろうか。ここでは先ず二酸化炭素の滅少の機構について考えてみたい。
原始地球の大気の中の二酸化炭素の減少の機構として第一に考えられるのは地球表面に出現した海の関与である。すなわち，原始地球の大気中に多量に存在していた二酸化炭素は海の出現によって，梅の中に次第に溶けていったであろう。そして，海の中のカルシウム，マグネシウム，ナトリウムなどの陽イオンと結合して，炭酸塩を生じた。その代表的なものが炭酸カルシウム（ＣａＣｏ_３）である。これらの炭酸塩は海底に沈殿した。そして，これらの炭酸塩の中のある部分はブレートの移動によって，陸地の中にとり込まれた。さらに陸地の中に取り込まれた炭酸塩の中の一部分は火山の噴出に際して，火山ガスのなかの二酸化炭素として，再び大気中に還ってゆく。このようにして二酸化炭素は大気，海，陸地さらに大気へと循環している間に，その大部分は大気から海および陸地の中に移動し，大気中の二酸化炭素の量は次第に滅少していったものと思われる。
他方，大気中の二酸化炭素の滅少をもたらした第二の機構として考えられるのは，その後の地球上に出現した生物の関与する機構である。例えば植物は太陽光線のエネルギーを用いて，大気中の二酸化炭素と水とから，糖質などの有機化合物を合成し，そして，遊離の酸素を大気中に放出している。この第二の生物の関与する機構の方が大気中の二酸化炭素の滅少に対して，その前に述べた第一の機構より，より大きく関与しているとする説もある。何れがより大きく関与しているかということは別にして，両方の機構が関与していることは確実であると思われる。

佐世保市医師会報第７２号（平成８年　初夏）より平成１３年２月７日転載

　［　前へ　］　［　次へ　］　［　佐世保市医師会ホームページへ　］