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【環境学習参考情報】 歴史・文化

地球と生命の進化

地球の構造

私たちの住む地球は、半径約6400kmのほぼ球体の星です。中心より核、マントル、地殻の三層構造をしています。地球を卵に例えると、黄身の部分が核、白身の部分がマントル、殻が地殻に当たります。

地殻は、厚さ約40kmの花崗岩質からなる大陸地殻と、その下の厚さ約7kmの玄武岩質からなる海洋地殻とから構成されています。

マントルは流動性を持つ岩石であり、深さ670kmを境に上部マントルと下部マントルに分かれます。マントルから地表に上がってきたガスを含む岩石をマグマといいます。

核は鉄やニッケルなどの金属でできています。高い圧力と温度で溶けた液体状の外核と、固体の内核に分かれます。

テクトニクス

地球の構造は、地球の変動原理であるテクトニクスの視点から、地殻の動きを板状の物質の流れと見るプレートテクトニクス、マントルの動きを巨大なきのこ状の流れと見るプルームテクトニクス、そして成長する固体の内核とそれを包む液体の外核のテクトニクスに、分けて考えています。

南太平洋とアフリカの下には直径や高さが数千kmに相当する巨大なマントル上昇流「スーパーホットプルーム」があり、アジアには下降流「スーパーコールドプルーム」があります。

これら三つのスーパープルームは、表層のプレートテクトニクスと中心核のテクトニクスに強い影響を与えています。

原始地球

宇宙は百数十億年前に「ビッグバン」により生まれたと考えられています。

そして45.5億年前に、銀河系宇宙のガスとチリからできた雲が縮み始め太陽系星雲が生まれました。星雲の中心には原子太陽ができ、原子惑星雲をもつようになりました。

原子惑星雲は小さな塊「微惑星」となり、この微惑星が衝突・合体を繰り返し次第に大きくなり、強い引力も生まれ、さらに他の微惑星を吸収して、雪だるまのようにして原始地球が形成されました。

微惑星が衝突すると、高温・高圧になり、微惑星の水蒸気や二酸化炭素を蒸発させ、原子大気が生まれました。原子地球が大きくなると、衝突エネルギーの蓄積と原子大気の温室効果により、地表の岩石はドロドロに溶けて、マグマの海(マグマオーシャン)になり、岩石から鉄が液体として分離し始めました。

鉄は岩石よりも重いのでマグマオーシャンの底に沈み下部マントルを突き抜けて地球の中心に向かって崩落します。鉄のもたらした重力エネルギーで地球の内部は急激に高温になり、核を形成したと考えられます。

こうして45.5億年前に、現在の地球の構造に近い核・マントル・マグマオーシャン・原子大気が生まれました。

生命の誕生

やがて地表の温度が下がると、大気中の水蒸気が激しい雨となり地上に降り注ぎ、40億年前に原子海洋ができました。

高温の海水と玄武岩質が反応して含水鉱物を作ると、マントル内部(30〜50kmの深さ)で溶け、二酸化ケイ素に富むマグマとなり地表に出て花崗岩となります。大陸地殻の形成のはじまりです。

原子海洋が大量の二酸化炭素を吸収し、大気の温室効果が減少し、地球表層の温度がさらに低下すると、表層の岩石が剛体化して「プレート」になり、プレートテクトニクスが機能するようになったと考えられます。

地球上に残された最古の化石は、西オーストラリアで発見されたバクテリアの化石で35億年前のものです。原子生命は、原子海洋の形成とともに海水のバリヤーで有害な宇宙線から守られ、海嶺の熱水から栄養塩をもらい生息していたようです。

強い磁場の誕生

27億年前に、低温のプレートが高温の外核表層に崩落し、局部的に異常な低温度域ができたために、高温の液体の鉄であり、いわば電子の海である外核の対流が激しくなり、地球ダイナモ(磁場発生機構)が働きだしたといわれています。

地球磁場が強くなると、太陽から発せられるDNAを破壊する高エネルギー粒子が地球表面に届かなくなり、生物は浅い海に進出し、太陽エネルギーを利用して、酸素発生型の光合成ができるようになりました。

光合成とは、生物が二酸化炭素と水を材料にして、光のエネルギーを使って、有機物(でんぷん)を生成し、酸素を大気中に放出する働きです。

増加した酸素は生物に大きな影響を与えました。

21億年前に、生物はそれまでの細胞の形態を変え、DNAが酸化されにくいように内部に核膜をもつ真核生物を進化させました。

その後、生物はより大きくなり、10億年前に真核多細胞生物が登場しました。

プレートテクトニクス

1915年にドイツの気象学者アルフレッド・ウェゲナーは「大陸漂移説」を発表しました。大陸の海岸線の形がパズルのように合わさることから、古い岩石や動植物の化石の分布などを調べた結果、現在分かれている大陸も、数億年前はただひとつの「パンゲア大陸」であったと主張したのです。

発表時は大陸を移動させる原動力について説明できませんでした。1950年代にプレートテクトニクス理論が生まれ、70年代に理論体系が確立され、研究は実を結びました。

「プレートテクトニクス」とは、地球表層の地殻はいくつかの堅い岩板から成り、地球上で起こっている火山活動、地震、地殻変動などは、これらプレートの相互作用によるとする考え方です。

海底山脈の真下から湧き上がってきたマグマは、海底で冷えて岩盤(海洋地殻)となりますが、海底の下では冷え固まらずに岩盤の下を左右に分かれて流れていきます。この流れに乗って海洋地殻が広がりながら動いていくと考えられています。

鉄やマグネシウムの多いマグマが地上で固まった火成岩が玄武岩であり、海底は玄武岩でできています。地下深くでゆっくり冷えてできた粒の粗い岩石が花崗岩です。陸地は花崗岩が重なってできています。

大陸地殻の花崗岩は、海洋地殻の玄武岩より軽いため、いわば地球表面に浮かんでいるような状態にあります。海嶺(海底の大山脈)で生まれた新しいプレート(海洋地殻)は、大陸地殻の下に潜り込み、海溝という深い溝のところでマントル中に沈んでいきます。

プルームテクトニクス

1980年代になると、地震波を利用して、地球の深い部分を透視して内部構造を調べる手法が実用化され、スーパープルーム(超巨大なきのこ状のマントルの動き)や、海溝から沈み込んだプレートの残骸の動きなども分かり、地球の変動システムの理解が進みました。

海溝からマントルに沈み込んだプレートは、下部マントルのある深さ670kmのところを突き抜けることができず、次々と積もって大きな塊になります。1億年かかって大きくなった塊「メガリス」は一気に下部マントルに落ちて、その深部に集積します。これが地球が1億年ごとに起こす不連続な変動の原因と考えられています。メガリスが下部マントルに崩落すると、下部マントルから上部マントルへ物質が上昇してきます、このようなマントルの入れ替わりを「マントルオーバーターン」と呼びます。

メガリスは下部マントルや外核の表層を冷やし、上部マントルに移動した物質は、地表へ噴出してマグマとなり激しい火成活動を起こします。

スーパーコールドプルーム

マントルが冷却されると、粘性が低下しプルームの減少・大型化が進みます。19億年前に巨大な単一のマントルの下降流「スーパーコールドプルーム」が生まれました。

スーパーコールドプルームの周辺では、すべてのプレートが地球上の一点で呑みこまれるため、時間の経過とともに大陸は衝突・融合して大きくなり、最後に超大陸が生まれます。

19億年前に「ヌーナ超大陸」が生まれ、10億年前に「ロディニア」が、5.5億年前に「ゴンドワナ」が、そして3億年前に「パンゲア」が生まれました。

スーパーホットプルーム

7.5億年前は赤道付近も凍る氷河期であり、水に依存する生物は大きな試練にさらされました。この時、南太平洋でスーパーホットプルーム(巨大なマントルの上昇流)が発生し、超大陸ロディニアは分裂を始めました。熱水が運ぶ栄養塩に富む暖かい環境が生まれ、生物の進化が始まりました。木の葉のような形をしたエディアカラ生物群の登場です。

5.5億年前に生まれた超大陸ゴンドワナはすぐに分裂を開始しましたが、この時のマグマの激しい火成活動に関係して生物相が入れ替わりました。

4億年前に強い紫外線をさえぎるオゾン層が生まれると、水中から陸上に生物の生息範囲が広がりました。三葉虫などの新しい生物は、硬い外骨格を持つようになり多様化しました。

2.5億年前にアフリカでもスーパーホットプルームが生まれると、超大陸パンゲアは分裂を開始し、現在見られる大陸に分化していきます。

この頃、生物の大量絶滅が起きていますが、マグマの爆発的な火山活動のためにまき散らされた粉塵が、生物の光合成活動を鈍らせ、2千万年にわたる「スーパーアノキシア」と呼ばれる酸素欠乏状態を生み出したためと考えられています。

その後、アンモナイトや恐竜が栄えましたが、6千5百万年前に絶滅しました。この時は直径10kmもある巨大隕石の衝突が原因と考えられています。やがて哺乳類が台頭してきます。

人類の出現

人類は500〜400万年前に類人猿から分岐したと考えられています。1992年に発見されたラミダス猿人は最古の化石と考えられており、440万年前のものです。

240万年前、石器を使用したらしい、私たちの直系の祖先であるホモ・ハビリスが登場しました。170万年前、ホモ・エレクトス(原人)が出現しました。完全な二足歩行、脳の大きさは現代人の2/3あり、火を使っていました。100万年前、道具を発明した人類はアフリカを脱出し、ジャワ原人、北京原人に進化しました。1万2千年前、最後の氷河期が終り温暖な時代になると、農耕を発明し安定的な食糧生産を始めました。5千年前、チグリス・ユーフラテス川流域にメソポタミア文明が、ナイル川流域にエジプト文明が、黄河や揚子江流域に中国文明が花開きました。

400年前、産業革命を起こし、世界人口の増加が始まります。5億人だった地球人口は400年間で58億人に爆発的に増加しました。

地球誕生から45.5億年、数多くの環境変化(絶滅の危機)を乗り越えて生物は進化しました。生物が長い時間をかけて大気の組成に変化を与えてきたように、地球と生命とは共に影響を与え合う関係にあります。

しかし、最後に登場した人類は、このわずか数百年の間に地球環境に対して激しい変化をもたらしつつあります。

日本列島の形成

かつて、日本列島の形成史は、「地向斜」といって、海の堆積物が地殻変動による上下運動により隆起し山地になったという考え方で説明されていました。その後、「プレートテクトニクス」理論が確立され、80年代以降、日本列島はプレートの水平運動により、南方の海底で生まれた堆積物がプレートの移動で運ばれ、付加されて形成されたものであるという考え方に代わりました。プレートの動きにより列島の骨格に付け加わった地層群を「付加体」といいます。日本列島には4億年を超える古い時代の層もみられますが、列島の骨格は、二畳紀(2億9千年前以降)の付加体とジュラ紀の付加体(2億年前以降)からなり、太平洋岸一帯を白亜紀(1億4千年前以降)から第三紀(6千5百年前以降)の付加体が占めています。

北海道、本州、四国、九州と、数多くの島々からなる日本列島は「リング・オブ・ファイヤー(環太平洋火山帯)」に属しており、地球活動の活発な地域です。これは列島の太平洋側に日本海溝があり、この付近で、太平洋およびフィリピン海の海洋プレートが、ユーラシアおよび北米の大陸プレートの下に潜り込み、大きな地震を発生させるためです。

海洋プレートが大陸プレートの下に潜り込む時、その摩擦で地震が多発します。潜り込みが深くなると、岩石が溶融してマグマとなり、火山が噴出すると考えられています。この火山ができる前線を火山フロントと呼びます。潜り込む場所は、海溝かトラフと呼ばれる深海です。富士山は、北米・ユーラシア・フィリピン海の3枚のプレートの会合点にあり、火山フロントと重なっています。最もマグマの噴出しやすい条件があったため、日本で一番高い山が形成されたようです。

北米プレートとユーラシアプレートの境には、フォッサマグナとして知られる大きな陥没帯があり、地形的に東北日本と西南日本を分けています。

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