小説家のウィリアム・ゴールディングは、ジェイムズ・ラブロックに、今や有名になった彼の仮説をギリシャの地球の女神、ガイアにちなんで命名することを提案しました。それはぴったりでした。ラブロックは、地球の生きている部分と無生物の部分が、相互作用し、自己調節する単一のシステムを形成していると信じていました。ラブロックの研究は、NASA のために行った研究から発展し、1965 年の Nature に掲載されました。 論文、私たちが他の惑星で探すかもしれない生命の兆候について。
46 年後、NASA のケプラー宇宙望遠鏡が惑星ケプラー 22b を発見しました。それは、太陽系外で、液体の水が表面に存在できる距離で太陽のような星を周回することが確認された最初の惑星の 1 つでした。私たちが知っているあらゆる形態の生命にとって不可欠な液体の水が利用可能になると、地球に生命が存在する可能性が高まります。また、ケプラー 22b の推定密度は、それが岩で構成されている可能性があることを示唆しています。つまり、地球上で見られるものと同様の条件を再現できる可能性があります。
現在、科学者たちは、生命を維持する可能性のある惑星の別の特徴の重要性を理解し始めています。これは、地球が受動的な背景ではなく動的な参加者であるというラブロックの見解に正に適合するものです。漂流する大陸の活動的なシステムです。プレートテクトニクスとして知られています。一見すると、サイクルが比較的短く目もくらむような複雑さを持つ生命と、サイクルがはるかに遅く表面上は単純な相互作用を持つプレート テクトニクスとの間のつながりは希薄に見えます。しかし、少なくとも地球上では、そのつながりは直接的で深いものです。
地球の大陸が動いているのは、地殻と上部マントルで構成された別々のプレートの上にあるためです。これらのプレートは、下にある高温の液体のような岩石の「海」の上に島のように浮かんでいます。これらのプレートの動きは巨大な機械の一部であり、水、二酸化炭素、その他の生命に不可欠な成分を内部深部から地表や大気へ、そして再び地球へと絶えず往復させています。プレート テクトニクスのおかげで、「周期表の元素は陸地、湖、海に継続的に供給されています」と、スタンフォードの地球物理学者ノーマン スリープは述べています。人生は無数の方法でこれらのサイクルに依存しています。
さらに、プレートテクトニクスがなければ、私たちの惑星は、進化してきた何十億年にもわたって生命を維持するのに十分なほど安定した気候を持たないでしょう.それは、プレート テクトニクスが、「炭酸塩 - ケイ酸塩」サイクルと呼ばれる粗雑な惑星のサーモスタットの重要な部分だからです。大気中の二酸化炭素が雨水に溶けて炭酸となり、ケイ酸塩岩を溶かします。この侵食、つまり「風化」の副産物は海に運ばれ、そこで小さな浮遊性有孔虫などの生物によって摂取され、石灰岩 (炭酸カルシウム) の殻に取り込まれます。それらの生き物が死ぬと、海の底に落ちて堆積物として積み上げられます。
プレートの境界では、これらの堆積物の一部が、沈み込み (プレートが別のプレートの下に滑り込むとき) によってさらに下に運ばれます。地球深部で見られるより高い温度と圧力の条件下では、二酸化炭素ガスが放出され、最終的に火山を通って大気に到達し、それによってサイクルが完了します.
地球の温度が上昇すると、より多くの水が地表から蒸発し、降水量が増加します。これにより、大気から二酸化炭素が洗い流され、構造経路を通じて地下深くに送られます。これにより温室効果が減少し、地球規模の寒冷化につながります。逆に、地球が冷えると、二酸化炭素の降雨量が減り、火山やその他の発生源から大気中の濃度が上昇し、温室効果が強化され、最終的には温暖化につながります。ベルリンのドイツ航空宇宙センターの惑星研究所を指揮するティルマン スポーンは、プレート テクトニクスをこの種の「リサイクルのための最も効率的な既知のメカニズム」と呼んでいます。
驚くべきことに、プレート テクトニクスへの生命の依存は相反するものです。科学者は、プレート テクトニクスが生命に依存するのと同じくらい生命に依存していることを認識するようになりました。 「生命はプレート テクトニクスを安定させ、ひいては惑星の居住性を安定させる可能性があります」と Spohn 氏は言います。
生物学から地質学へのフィードバックの重要な部分は、風化と密接に結びついている「深層水」サイクルに由来しています。地表の生命は、岩石を分解するバクテリアの酸分泌から、地衣類、コケ、樹木の岩の成長まで、さまざまな方法で風化に寄与しています。 「沈降速度は、生物圏の活動の関数です」と Spohn は主張します。言い換えれば、惑星に生命が多ければ多いほど、風化が進むということです。
この過程でできた堆積物は海底に蓄積し、最大 40 重量パーセントの水分を含んでいます。プレートの境界で沈み込みが発生すると、それらは地表から約 100 キロメートル下のマントルに運ばれます。
これらの地下層に閉じ込められた水は、プレートの動きを可能にする一種の潤滑剤として機能します。これは、水が岩石を結合している結合を壊し、より柔軟で流動的なものにするためです。 「惑星のマントルに水がなければ、マントル岩石が地表に向かってゆっくりと移動するプレートテクトニクスはありません。代わりに、上に停滞した岩の層ができます。」それが水星と月で見られるものです。
岩石の含水量を増やすと、融点も下がります。したがって、マントルにより多くの水が供給されると、より多くの溶融物質が生成され、より多くの火山噴火につながります。 「この火山岩の流出は、基本的に大陸地殻を作るものであり、主に花崗岩で構成されています」とスポーンは言います。 「あなたが生成するこの融解が多ければ多いほど、大陸はより成長しています。」生物圏が繁栄すると、マントルに到達する水が増える可能性があることを考えると、それは大陸の成長にも寄与する可能性があると彼は推測しています.
2013 年、スポーン、デニス ホーニング、および他の 2 人の同僚は、プレート テクトニクスがなければ地球がどのように見えるかを想像しました。彼らはコンピュータ シミュレーションを使用して、2 つの非常に異なるシナリオを考え出しました。 「生物的」ケースでは、生物学的風化が堆積の促進に寄与し、その結果、マントルに約 300 ppm の水が生じました。これにより、火山噴火が頻繁に起こり、地球の表面の約 40% を覆う大陸が形成されました。これは、現在私たちが見ている世界とほぼ同じです。
方程式から生命を取り除くことは、非常に異なる外観の惑星につながりました.沈降が減少した結果、マントル内の水の濃度が低下し (わずか約 40 ppm)、それに対応して大陸地殻の生成が減少しました。このモデルによると、生命のない地球は、基本的に陸地がほとんどない水の世界であり、おそらく地表のわずか 3% しか構成していません。
「プレートテクトニクスと生命のどちらが先かはわかりません」とスポーンは言う。 「私たちが言えることは、それらは基本的に互いに安定しているということです。プレートテクトニクスのスイッチを突然切ってしまったら、私たちにとってあまり良いことではありません。生命のスイッチを切れば、プレート テクトニクスには良くないでしょう。」
プレート テクトニクスが生命の可能性を高めるという考えは、地球外生命の探索の舵を取り始めています。ノースウェスタン大学の天文学者ニコラス・コーワンと彼の同僚は最近、太陽系外惑星上の海と大陸の存在を検出する技術を実証しました。これまでのところ、NASA の探査機ディープ インパクトに搭載された望遠鏡を使用して、地球上でこのアプローチをテストしただけであり、観測時には数千万マイル離れていました。基本的な考え方は、惑星が軸を中心に回転するにつれて、時間の経過とともに惑星の色がどのように変化するかを確認することです。
ディープ インパクトの小さな望遠鏡で 24 時間地球を観察した後、Cowan のチームは、海に対応する青、陸地に対応するオレンジ、雲に対応する灰色の 3 色を持つ惑星の地図を作成することができました。長期的な観測では、灰色の斑点 (または雲) が動き回ることが示されるため、科学者は海と大陸がどこにあるのかをより正確に把握できます。
この技術はまだ遠く離れた惑星には適用されていませんが、Cowan 氏は、宇宙生物学者がどの系外惑星に焦点を当てるかを決定するのにすぐに役立つかもしれないと考えています。 「惑星に大きな大陸と大きな水域がある場合、プレート テクトニクスなしではそれを実現するのは困難です」と彼は言います。そして、プレートテクトニクスは生命なしでは存在しそうにありません。
マサチューセッツ州ケンブリッジを拠点とするライターのスティーブ ナディスは、 の寄稿編集者です。 天文学のと 雑誌を発見。彼は の共著者です 総体的な歴史:ハーバード大学での 150 年の数学.
参考文献
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