私たちは宇宙で一人ですか？これは、何世紀にもわたって人間の興味をそそり、数え切れないほどの研究やフィクションの作品に影響を与えてきた問題です。しかし、私たちはこれを見つけることに近づいていますか?ジェームス ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) が運用されている今、私たちは 1 日でこの答えを得るために大きな飛躍を遂げたかもしれません.
JWST の 4 つの主な目的の 1 つは、系外惑星 (太陽系の外にある惑星) を研究し、その大気がどのようなガスで構成されているかを判断することです。現在、地球上の酸素の地質学的時間変化に関する新しい研究により、実際に何を探すべきかについての手がかりが得られました。
生命が他の惑星でどのように、いつ、なぜ進化するのかを理解しようとするためには、生命が存在することが現在わかっている唯一の惑星である地球に目を向けることが理にかなっています。私たち自身の惑星の複雑な進化の歴史を理解することは、生命を維持できる他の惑星を見つけるための鍵を提供するかもしれません.
生命と酸素
動物が生き残るために酸素を必要とすることはわかっていますが、スポンジなどの一部の動物は他の動物よりも酸素を必要としません.しかし、酸素は現在、大気の 21% を占めており、容易に利用できますが、地球の歴史の大部分には、これが当てはまらなかったこともわかっています。
約 4 億 5000 万年前を超えて過去の深いところまで旅をしたとしたら、便利な酸素タンクを携帯する必要があります。しかし、大気と海洋の酸素の絶対量と、酸素レベルの上昇が動物の生命の進化を促進したのか、その逆なのかについては、あまり確信が持てません。これらの疑問は実際、数多くの議論と何十年にもわたる研究を引き起こしてきました.
現在の考えでは、酸素レベルは大きく 3 つの段階で上昇しています。 「大酸化イベント」と呼ばれる最初のイベントは、約 24 億年前に発生し、地球は、大気と海洋に酸素が本質的にない惑星から、永続的な特徴として酸素を含む惑星に変わりました。 3 つ目は約 4 億 2000 万年前に発生し、「古生代の酸素化イベント」と呼ばれ、大気中の酸素が現在のレベルまで上昇しました。
しかし、その間、約 8 億年前に、「新原生代の酸素化イベント」または NOE という 2 番目のステップがあります。当初、海底に形成された堆積岩から抽出された情報は、酸素が現代のレベルのようなレベルまで上昇したのはこの時期であったことを示唆していました.
しかし、その後収集されたより多くのデータは、より興味をそそる酸素の歴史を示唆しています。重要なことに、NOE は最初の動物の証拠の直前に発生し、約 6 億年前に出現しました。
酸素レベルのモデリング
最初の動物がどのような条件で出現したかを確認するために、NOE 中に大気中の酸素レベルを調査して再構成することに着手しました。これを行うために、私たちは地球のコンピューター モデルを構築し、大気に酸素を供給したり除去したりできるさまざまなプロセスに関する知識を組み込みました。
古代の光合成速度を計算するために、世界中に堆積した炭素含有岩石を調査しました。光合成は、植物や微生物が日光、水、二酸化炭素を使用して、地球上の主要な酸素源である糖の形で酸素とエネルギーを作り出すプロセスです。
炭素は自然に多くの同位体、つまり原子核にさまざまな数の中性子を持つ原子として存在します (原子核は陽子と中性子で構成されています)。したがって、異なる同位体は、互いにわずかに異なるサイズと質量を持っています.
私たちは、放射性崩壊を受けない炭素 12 と炭素 13 として知られる炭素の同位体を調べました。植物は、光合成中に最も軽い同位体である炭素 12 を使用することを好み、代わりに海水を残し、続いて海底に形成される岩石を炭素 13 に富ませます。
これらの岩石を数百万年または数十億年後に分析すると、炭素 12 よりも炭素 13 の方が多いことがわかった場合、より多くの光合成、したがってより多くの酸素生成が発生したと予測できます。次に、火山活動をモデル化しました。火山活動は、酸素と反応して大気から酸素を除去するガスを放出します。
このアプローチは少し奇妙に聞こえるかもしれません。なぜもっと直接的に測定できるものがないのかと疑問に思われるかもしれません。これは、この時期のほとんどの地質学的証拠が保存されておらず、これらの炭素同位体比は、この期間を通じて私たちが持っている数少ない明確に定義されたデータ セットの 1 つであるためです。
私たちが発見したことは、新原生代の酸素レベルの単純なジャンプではなく、大気中の酸素量が大幅に変化し、地質学的な時間スケールで非常に急速に変化したことです。 7 億 5,000 万年前、酸素は大気の 12% を占めていましたが、わずか数千万年で約 0.3% まで減少し、数百万年後に再び上昇しました。
私たちの調査によると、約 4 億 5000 万年前に植物が地上に足場を築くまで、大気中の酸素はおそらく高レベルと低レベルの間でこのダンスを続けていました。
エイリアンの生命体を探す
これらの結果は、多くの理由で興味深いものです。過去 45 億年の間、地球が経験してきた相対的な安定性は、生命が繁栄するために必要であると、私たちはよく考えてきました。結局のところ、小惑星の衝突などの大きなイベントが発生したとき、地球の一部の住民 (申し訳ありませんが、恐竜) にとってはうまくいきませんでした。
しかし、もし最初の動物が非常に変化しやすい酸素レベルを背景に進化したのであれば、生態学的革新を促進するために何らかの動的な変化が必要になる可能性があることを示唆しています.
私たちの結果は、大気中の酸素レベルが低い期間が、いくつかの単純な生物の絶滅を促進し、酸素レベルが再び上昇したときに生存者が拡大および多様化することを可能にすることにより、より複雑な生命の発達に重要であった可能性があることを示唆しています.したがって、酸素化が不十分な大気を持つ太陽系外惑星を詳しく調べることを除外すべきではありません。
もちろん、これは非常に地球的で、動物中心の見方ですらあります。エイリアンの生命は、地球上の生命とはまったく異なる可能性があります。たとえば、土星の衛星の 1 つであるタイタンなどの惑星体には、液体のメタンとエタンの海がある可能性があります。しかし、地球外生命体の探索の出発点として、地球上の大気中の酸素の歴史を理解することは有用なガイドです。 
Alex Krause、地球システム モデリングのリサーチ フェロー、UCL Benjamin J. W. Mills、生物地球化学モデリング准教授、リーズ大学
この記事は、クリエイティブ コモンズ ライセンスに基づいて The Conversation から再発行されたものです。元の記事を読んでください。
