遠くから見ると、地球が生命に満ちていることは明らかではありません。最大の森を見るにはかなり近くまで近づかなければならず、微生物はおろか、人間の活動を見るにはさらに近づかなければなりません。しかし、宇宙から見ても、地球自体が生きているように見えます。その陸地は 7 つの大陸に分かれており、それらは広大な海域によって隔てられています。これらの海の下、私たちの惑星の目に見えない深さでは、物事はさらに活発です.地球は自分自身をかみ砕き、溶かし、新たに作り直しています。
十数枚の冷たくて硬いプレートが、地球の高温の内部マントルの上をゆっくりと滑り落ち、互いの下に潜り、時には衝突します。このプレート テクトニクスのプロセスは、地球の決定的な特徴の 1 つです。人間は主に地震を通じてそれを経験しますが、まれに火山によって経験します。現在、ハワイの裏庭から噴出する溶岩 — マントル深部のホット スポットの結果 — は、構造活動に関連しています。
しかし、プレートテクトニクスには地震や噴火以外にもあります。新たな研究の波は、地球の外的運動が地球のもう一つの決定的な特徴である生命にとって不可欠である可能性があることをますますほのめかしている.地球が動いて変形する外地殻を持っていることは、地球がこれほど活気に満ちている主な理由であり、他の惑星がその豊富さに匹敵することができない理由かもしれません.
「プレートテクトニクスを理解することは、私たち自身の惑星とその居住可能性を理解するための主要な鍵です。どうやって居住可能な惑星を作り、何十億年もの間生命を維持するのですか?」ワシントン大学の地質学者であるキャサリン・ハンティントンは、次のように述べています。 「プレートテクトニクスは、最も長い時間スケールで私たちの大気を調節するものです.ここで水を維持し、暖かく保ち、生命を維持するためには、それが必要です。」
過去数年間で、地質学者と宇宙生物学者は、プレート テクトニクスを、地球を独特なものにしている他のすべてのものとますます結び付けてきました。彼らは、地球の大気がその寿命、その成分、そして信じられないほど安定したゴルディロックスのような温度 (暑すぎず寒すぎない) を地殻の再循環に負っていることを示しました。水が定期的に惑星のマントルに取り込まれてから解放されなければ、地球の海は存在しないかもしれません。プレートテクトニクスが海岸線の形成と潮の動きを駆動しなければ、海は不毛になり、生命を与える栄養分は永遠にスティジアンの深みに追いやられてしまうかもしれません。プレート テクトニクスによって、岩のスラブが互いに潜り込み、沈み込みと呼ばれるプロセスで地球に戻ることが強制されなかった場合、海底は完全に極寒で、興味深い化学物質が欠落していた可能性があります。一部の研究者は、大陸の移動がなければ、生命は複雑な形態に進化しなかった可能性があると考えています.
2015 年、東京工業大学のジェームス ドームと丸山茂徳は、この相互依存性を表す新しい用語「居住可能な三位一体」を作り出しました。このフレーズは、生命の前提条件として、豊富な水、大気、陸地 (これらすべてが物質を交換および循環する) を持つ惑星を表しています。
しかし、プレートテクトニクスが進化にどのように影響するか、そしてそれがそのプロセスに必要な要素であるかどうかを理解することは、プレートがいつ、どのように動き始めたのかという、地球科学で最もホットな問題のいくつかに対する答えを見つけることにかかっています。この惑星が可動地殻を持っている理由を解明することで、地質学者はこの惑星についてだけでなく、固体の表面を持つすべての惑星や衛星について、またそれらに生命が存在する可能性があるかどうかについても知ることができます.
山から塹壕まで
2012 年、映画監督のジェームズ キャメロンは、地球上で最も深いガッシュを一人で潜った最初の人物になりました。彼はチャレンジャー海淵の海面下 35,756 フィートに着陸しました。これはマリアナ海溝内のくぼみであり、それ自体が 2 つの構造プレートの交差点にあるはるかに大きなトラフです。キャメロンは、地球の継ぎ目で生命が繁栄している証拠を含め、塹壕全体でサンプルを収集しました。
太平洋プレートが地球のマントルに引きずり込まれると、プレートが温まり、岩石に閉じ込められた水が放出されます。蛇紋岩化と呼ばれるプロセスでは、水がプレートから泡立ち、上部マントルの物理的特性が変化します。この変換により、メタンやその他の化合物が、そうでなければ極寒の海底の温泉を通ってマントルの外に浸透することができます.
初期の地球での同様のプロセスは、代謝の原材料を供給した可能性があり、それが最初の複製細胞を生み出した可能性があります.キャメロンは、そのような細胞の現代の子孫の証拠を持ち帰った.微生物マット、太陽光が浸透できず、海面の 1,000 倍以上の圧力がある約 7 マイルの水の下で繁栄する微生物の塊.
バーモント大学の地質学者であるキース・クレペイスは、「プレートテクトニクスと生命を結びつけることは本当にエキサイティングです。 「それは、太陽系の他の場所で何を探すべきかについてのアイデアを私たちに与えてくれます。これにより、地球上での初期の生命がどのようなものであったかを知ることができます。」
キャメロンの記録的な潜水は、プレート テクトニクスと海洋生物との関係を実証した唯一の遠征ではありませんでした。最近の研究は、プレート テクトニクス活動を、5 億 4,100 万年前のカンブリア爆発と呼ばれる進化の爆発と結び付けています。このとき、驚くほど多くの新しい複雑な生命が誕生しました。
2015 年 12 月、オーストラリアの研究者は、世界中の海底サイトから約 300 のドリル コアの研究を発表しました。一部には 7 億年前のサンプルが含まれていました。彼らは、リンだけでなく、銅、亜鉛、セレン、コバルトなどの微量元素も測定しました。これは、すべての生命にとって不可欠な栄養素です。これらの栄養素が海に豊富にあると、プランクトンの急速な成長を引き起こす可能性があります。タスマニア大学のロス・ラージが率いる研究者たちは、これらの元素の濃度が約 5 億 6000 万から 5 億 5000 万年前に桁違いに増加したことを示しました。
ラージと彼のチームは、プレート テクトニクスがこのプロセスを推進したと主張している。大陸プレートが衝突して岩石が空に押し上げられると、山が形成されます。その後、風化により、山から海へと栄養素がゆっくりと浸出します。
おそらくもっと驚くべきことに、ラージと彼の同僚は、これらの元素がより最近の期間に存在量が少なく、これらの期間が大量絶滅と一致していることも発見しました。これらの栄養素の乏しい期間は、リンと微量元素が補充されるよりも速く地球によって消費されたときに発生した、とラージは述べた.
構造活動は、地球の恒温槽の長期安定性を維持する上でも重要な役割を果たしています。二酸化炭素の場合を考えてみましょう。二酸化炭素が多すぎる惑星は、惑星状の高炉である金星のようになる可能性があります。地球上のプレート活動は、何十年にもわたって二酸化炭素のレベルを調節するのに役立ってきました.
山頂から海に栄養素を引き込むのと同じ風化は、大気から二酸化炭素を除去するのにも役立ちます.このプロセスの最初のステップは、大気中の二酸化炭素が水と結合して炭酸を形成するときに起こります。炭酸は、岩石を溶解し、風化プロセスを加速するのに役立つ化合物です。雨は、溶解した岩石から海に炭酸とカルシウムの両方をもたらします。また、二酸化炭素は海に直接溶解し、そこで炭酸と溶解したカルシウムと結合して石灰岩を形成し、海底に落下します。最終的に、想像を絶する長い年月をかけて、隔離された二酸化炭素はマントルに飲み込まれます。
「それはCO2を調節するものです 長い時間スケールで大気中です」とハンティントンは言いました。
プレート テクトニクスは、別の大気成分の原因である可能性さえあり、おそらく最も重要なのは酸素です。
カンブリア紀の爆発の 20 億年前、太古の時代にさかのぼると、地球には現在私たちが呼吸している空気がほとんどありませんでした。藻類は光合成を使用して酸素を生成し始めていましたが、その酸素の多くは、酸素を使用して錆を作る鉄分が豊富な岩石によって消費されました.
2016 年に発表された研究によると、その後、プレート テクトニクスが 2 段階のプロセスを開始し、酸素レベルが上昇しました。最初のステップでは、沈み込みによって地球のマントルが変化し、海洋と大陸の 2 種類の地殻が生成されます。大陸バージョンには、鉄分が豊富な岩石が少なく、石英が豊富な岩石が多く、大気から酸素を引き出さない.
その後、25 億年前から 15 億年前までの次の 10 億年の間に、岩石は風化して二酸化炭素を空気と海に排出しました。余分な二酸化炭素は藻類を助け、それがさらに多くの酸素を生成する可能性があり、最終的にカンブリア爆発を引き起こすのに十分です.
プレート テクトニクスは、生命の進化を後押しした可能性もあります。テキサス大学ダラス校の地質学者であるロバート・スターンは、プレートテクトニクスは、10億年から5億4000万年前の新原生代のどこかで発生したと考えています。これは、地質学者や古気候の専門家が「スノーボール アース」と呼んでいる約 7 億年前の異常な地球規模の寒冷化の時期と一致していたと考えられます。 4 月、テキサス大学オースティン校のスターン ミラーとナサニエル ミラーは、プレート テクトニクスが大陸を壊滅的に再分布させ、海と大気をかき乱したことを示唆する研究を発表しました。そして、スターンは、これは人生に大きな影響を与えたであろうと主張しています.
「本当に進化するには、孤立と競争が必要です。陸と海の領域に実際の変化がなければ、競争力と種分化はありません」とスターンは言いました。 「それがプレートテクトニクスポンプです。生命を手に入れたら、大陸と大陸棚を分割し、それらを異なる緯度に移動して再結合することで、生命を本当に急速に進化させることができます。」
スターンはまた、進化した種の進化にはプレートテクトニクスが必要かもしれないと主張している.彼は、大陸の乾燥した土地は、種が物体をつかんで操作できる手足や手を進化させるために必要であり、海、大陸、プレートテクトニクスを持つ惑星は種分化と自然選択の機会を最大化すると考えています.
「プレートテクトニクスがなくても生命を得ることができると思います。やったと思います。プレートテクトニクスなしでは私たちを手に入れることはできないと思います」と彼は言いました.
スターン氏は、周回する望遠鏡が、どの系外惑星が岩石で、どの系外惑星がプレートテクトニクスを持っているかを判断できる遠い未来を想像しています。遠方の星系への使者は、プレートテクトニクスのない星系を最初に狙うべきである、と彼は言った.
地球の殻を割る
しかし、すべてはプロセスがいつ開始されたかによって異なります。これは未解決の問題です。
地球は約 45 億 4000 万年前に形成され、溶岩の白熱球として始まりました。オーストラリアのマッコーリー大学の惑星科学者であるクレイグ・オニールは、主に生まれたばかりの惑星が暑すぎたため、形成後少なくとも 10 億年は認識可能な形のプレートテクトニクスはなかったと述べています。
当時も今も、惑星の内層内の対流によって熱が移動し、揺れ動いていたはずです。マントル内の岩石は、地球内部の坩堝で圧迫され加熱された後、地表に向かって上昇し、そこで冷やされて密度が高くなり、沈み込んで再びプロセスを開始します。溶岩ランプを想像してください。
対流によって、初期の地球でも鉛直運動が起こっていました。しかし、当時のマントルは比較的薄く「水っぽい」もので、固い地殻を壊すのに必要な力を生み出すことができなかった、とオニールは言いました。
「沈み込みは起きていませんでした。水平方向の動きはありませんでした」とクレペイスは言いました。 「つまり、最初の大陸が形成される前に、大陸が形成される前の時代がありました」—あなたが言うなら、土地の前の時代。地球は、異なるプレートがなければ、いわゆる「停滞したふた」を持っていたでしょう。
オニールは 2016 年に研究を発表し、初期の地球は木星の火山衛星イオに似ていた可能性があることを示しています。惑星が冷え始めると、プレートが下のマントルと結合しやすくなり、惑星はプレート テクトニクスの時代に移行しました。
これにより、そもそも何が蓋を割ってそれらのプレートを作成したのかという疑問が生じます.
一部の研究者は、侵入が物事を動かしたのではないかと考えています。過去 2 年間に、いくつかの研究チームが、太陽系の誕生時に残された小惑星が地球のふたを割った可能性があると提案してきました。昨年の秋、オニールと同僚は、地球が形成されてから 5 億年後に小惑星の衝突が、冷たい外殻を熱い上部マントルに突然押し込むことによって沈み込みを開始した可能性があることを示唆する研究を発表しました。 2016 年、丸山とその同僚は、小惑星が衝突エネルギーとともに水を運び、岩石を弱め、プレートの動きを開始させたと主張しました。
しかし、地球が救いの手を必要としなかった可能性はあります。加熱しすぎたオーブンで焼いたケーキのように、独自の冷却プロセスによって蓋がバラバラになった可能性があります。
30 億年前、地球は一部の地域で短命のプレート テクトニクス活動を行っていた可能性がありますが、まだ広範囲には及んでいませんでした。最終的に、地殻のより低温の領域が下方に引っ張られ、周囲の地殻が弱体化します。これが繰り返されると、弱い領域は徐々にプレート境界に分解されます。 Nature に掲載された 2014 年の論文によると、最終的には沈み込みによって駆動された完全な構造プレートを形成したと考えられます。 イェール大学の David Bercovici とフランスのリヨン大学の Yanick Ricard による
あるいは、逆のことが起こった可能性があります。冷たい地殻が押し下げる代わりに、ハワイの噴火を引き起こしている種類のような熱いマントルプルームが地表に上昇し、地殻に浸透してそれを溶かし、蓋を壊した可能性があります.ソウルの高麗大学の Stern と Scott Whattam は、2015 年の研究でこれがどのように機能するかを示しました。
これらの理論によると、プレート テクトニクスは、約 30 億年前に勢いを増すまでに数回開始と停止を繰り返した可能性があります。 「全員のボタンを押して数字を取らせる必要があるとすれば、約 30 億年前にプレート テクトニクスが出現し始めたランニング ボールパークがコミュニティにあります」とオニールは言いました。
しかし、証拠が非常に断片的であるため、確実に知ることは困難です.
「海洋地殻はわずか2億年しか経っていません。必要な証拠が欠けているだけです」とオニールは言いました。 「1980 年代から長い道のりを歩んできた多くの地球化学がありますが、同じ基本的な問題がまだそこにあります。」
地球上で最も古い岩石は、40 億年前に何らかの原始沈み込みが起こっていたことを示唆しているが、これらの岩石を解釈するのは難しい、とオニール氏は述べた。一方、30 億年から 20 億年前のどこかで、地球のマントルは冷却に起因するいくつかの化学変化を受け、対流パターンが変化したようです。一部の地質学者は、これを地球全体の構造プレートの漸進的な開始と拡大の記録と見なしています.
ペンシルバニア州立大学の地球物理学者であるブラッド・フォーリーは、「本当の答えはわかりません。 「私たちはこれらの岩石を手に入れましたが、現時点でプレートテクトニクスや沈み込みがあったことを示す決定的な証拠が何であるか、または絶対になかったことを示すことはできません。」
他の惑星のプレート
では、テクトニクスは生命に不可欠なのでしょうか?
最終的に問題は、サンプルが 1 つしかないことです。私たちには、地球のように見える惑星が 1 つあります。1 つの場所には水があり、滑り落ちる外側の地殻があり、1 つの場所には生命があふれています。他の惑星や衛星はテクトニクスに似た活動をしているかもしれませんが、地球上で見られるものに近いものではありません.
凍った土星の月であるエンケラドゥスは、地球規模の氷の地殻にある奇妙に見える割れ目から物質を宇宙に放出しています。または、金星は、5 億年前に再浮上したように見えますが、識別できるプレートはありません。または、オリンポス山に太陽系最大の火山がある火星ですが、その地殻変動の歴史は謎に包まれています。オリンポス山は、タルシスと呼ばれる巨大な膨らみのある地域で発見されました。これは非常に巨大であるため、火星の地殻を圧迫して極を移動させた可能性があります。
オニールは、水が豊富な火星サイズの惑星が構造的に活動的な状態になる可能性があることを示す研究を発表しました。また、火星の南半球の一部の地域は、海底の広がりに似ていると主張する人もいます。しかし研究者たちは、オービターや地表のロボットからのデータによると、少なくとも 40 億年は活動していないことを認めています。これは地殻の年齢とほぼ同じです。
「おそらく非常に早い時期にプレートテクトニクスがあった可能性があるといういくつかの議論がありますが、私の見解では、おそらくそうではなかったでしょう」とフォーリーは言いました。
5 月に打ち上げられ、11 月 26 日に到着する予定の InSight 火星着陸船は、議論を解決するのに役立ちます。 InSight の 3 つの機器は、火星の地殻、マントル、核の厚さと構成を測定することを目的としており、火星がどのように磁場を失ったか、かつてプレート テクトニクスがあったかどうかについての新しい手がかりを提供します。
「金星や火星、木星の衛星など、他の惑星を理解できれば、地球で何を探すべきかを知るのに役立ちます。それが他の惑星を探検し続ける理由です — それは私たちが家に帰るのを助けます.
プレート テクトニクスの起源については議論の余地が残されていますが、地質学者はある時点でギアの研削が停止することに同意することができます。
オニールは、プレート テクトニクスを岩石惑星の中期段階と考えるようになりました。惑星が老化するにつれて、高温で停滞した世界から温暖で地殻活動が活発な世界へと進化し、最終的に晩年には再び低温で停滞した世界へと進化する可能性があります。私たちは、惑星が冷えるにつれて静かになることを知っています。多くの地質学者は、これが火星に起こったことだと考えています。火星は地球よりはるかに小さいため、地球よりも速く冷却されました.
地球は最終的に、プレートテクトニクスが弱まり、惑星が再び停滞した蓋の状態に落ち着くのに十分なほど冷えるでしょう.これが起こる前に、新しい超大陸が隆起して崩壊しますが、ある時点で、地震は止みます.火山は完全に閉鎖されます。火星と同じように、地球は死にます。そのすべての隙間を覆う生命体がまだここにいるかどうかは、将来の問題です.
この記事は TheAtlantic.com に転載されたものです。
