進化は予測可能ですか、それともランダムな出来事によって大きく形作られましたか?生物学者は、この問題について何十年も議論してきました。地球上の生命の歴史を再現すると、結果として生じる種は異なるものになるだろうと示唆する人もいます.反対派は、生命はほぼ決定論的であると反論しています。
最近、研究者は岩について同じ質問をし始めました。約 5,000 の鉱物 (石英、ジルコン、ダイヤモンドなどの結晶物質) が地球上で発見されています。しかし、鉱物は地球が形成されたときに一度に現れたわけではありません。それらは時間の経過とともに具体化し、各結晶は、それが形成された特定の時代の条件に応じて発生しました。鉱物は、場合によっては生命に反応して進化しました。したがって、地質学者は疑問を抱かざるを得ません:今日の鉱物は、惑星の化学構造の予測可能な結果ですか?それとも偶然の出来事の結果ですか？宇宙に目を向け、地球に似た別の惑星を見つけたとしたら、その宝石が私たちのものと一致すると期待できますか?それとも、これまでに見たことのない光沢で輝いているでしょうか?
ワシントンのカーネギー研究所地球物理学研究所の鉱物物理学者である Robert Hazen と彼の同僚は、今年、地質学が運命の問題であるかどうかについての広範な洞察を明らかにする一連の 4 つの論文を発表しています。地球上の鉱物は確かに、他の世界にも適用できるいくつかの決定論的規則に導かれていた可能性があることを彼らは発見しました。しかし、私たちの惑星には非常に希少な鉱物が豊富にあり、これは偶然の出来事も重要な役割を果たしていることを示唆しています.
さらに、宇宙のどこかで地球に似た双子が見つかった場合、多くの一般的な鉱物は同じである可能性が高いですが、その惑星には、ここに存在するものとは異なる多くの鉱物も含まれている可能性があります。
調査結果は単なる好奇心の問題ではありません。一部の鉱物は、初期の生物の出現を助けた可能性があります。また、地球に似た惑星でどの鉱物が形成された可能性があるかを理解することは、科学者がどの世界に生命が存在する可能性が最も高いかをより正確に予測するのに役立つ可能性があります。逆に、一部のミネラルは生物の存在下でのみ発生します。したがって、地球の鉱物分布のパターンを見つけることは、科学者が生命の鉱物学的特徴を特定するのに役立ち、それを他の惑星で探すことができます。
時とチャンス
伝統的に、鉱物学は個々の鉱物の構造と形成を分析することによって支配されてきました。しかし、American Mineraologist の 2008 年の研究では 、Hazenと彼の同僚は、より歴史的な見方をしました。研究者たちは、地球の既知の鉱物を評価し、その形成に適した条件がいつなのかを突き止めようとしました。チームは、地球の鉱物の約 3 分の 2 は、生命が存在するまで出現しなかったと結論付けました。
たとえば、初期の微生物は大気に酸素をまき散らし、既存の鉱物と相互作用して新しい鉱物を生み出しました。いわゆる大酸素化イベントは「巨大なゲームチェンジャーでした」とHazenは言いました。 「文字通り何千もの新しい鉱物への扉が開かれます。」
その後、Hazen と共同研究者は、偶然が鉱物形成に果たした役割の調査に着手しました。最初に、研究者は鉱物の多様性と地球の地殻における個々の元素の豊富さとの関係を研究しました。彼らは、元素が豊富であるほど、より多くの鉱物を形成することを発見しました。この関係は先月 The Canadian Mineraologist に掲載されました。 .次に、月の鉱物を使って同じ運動を行いました。既知の鉱物の数ははるかに少ないにもかかわらず、同様の関係が保たれていました。この一般的な傾向は、決定論の要素を示唆しています。開始時の化学条件が与えられれば、どの鉱物が形成されるかをある程度予測することができます。
しかし、チームは外れ値を見つけました。たとえば、元素ルビジウムは、その豊富さを考えると、予想よりも少ない鉱物を形成します。しかし、Hazen のチームは、この不一致には化学的な理由があると考えています。ルビジウムはミネラル中のカリウムの代わりになることが多いため、既存のカリウムが優勢なミネラルで「使い果たされる」.一方、銅などの一部の元素は、複数の方法で他の原子と結合できるいくつかの化学状態を持っているため、予想よりも多くの鉱物を形成します。メイン大学の岩石学者で共著者の Ed Grew 氏は、これらの結果は依然として決定論の考え方を支持していると述べています。
ペンシルベニア州立大学ユニバーシティ パークの鉱物学者 Peter Heaney は、地球の鉱物の相関関係はかなり弱いと指摘しています。しかし彼は、外れ値の理由は理にかなっていると述べた。 「私が本当に重要だと思うのは、[Hazen's] がこれらの質問をし、これまで誰も実際に行ったことのない方法で鉱物の多様化について考えさせたことです」と Heaney 氏は述べた.
Hazen のチームは、偶然の役割の証拠も発見しました。研究者は、クラウドソースのデータベースを使用して、世界中の特定の場所で 650,000 を超える鉱物観測を取得しました。全鉱物の 22% は 1 か所だけで報告され、12% は 2 か所だけで発見されました。カリフォルニア州モフェット フィールドにある NASA エイムズ研究センターの宇宙生物学者である Chris McKay 氏は、非常に多くの「onesies and twosies」の存在は、ランダム性が役割を果たしていることを示唆しています。 「それが偶然の出来事の特徴です。」これらの希少な鉱物は、元素が濃縮された異常な岩石の集まりなど、偶然の状況下でのみ出現する可能性があります。 「ごちゃごちゃした材料を混ぜ合わせて調理したら、受賞歴のある料理になったようなものです」とグリューは言いました。
では、地球の歴史を再生するとどうなるでしょうか。天然に存在する元素を組み合わせて独自の鉱物にする方法は、約 15,300 通りあると研究者は推定しています。地球を再現すると、地球の約 5,000 の鉱物の少なくとも 4 分の 1 が異なる結果になると彼らは言います。
さらに、別の惑星が地球とまったく同じ鉱物のセットを持っている可能性は 10 分の 1 未満であると研究者は報告しており、その論文は来月 Earth &Planetary Science Letters に掲載される予定です。 .言い換えれば、私たちの惑星の正確な鉱物組成は、宇宙のどこにも見られないということです。
人生の困難なスタート
ライフは別のワイルド カードを追加します。ヘーゼンと他の科学者による初期の研究は、鉱物と生命が共進化した可能性が高いことを示しました。たとえば、ミネラルは、生体分子を生成する反応を触媒することによって生命を維持した可能性があります。そして生命は確かに、鉱物の形成方法に影響を与える方法で生物圏を変えました。 「生命の起源は鉱物に依存しますが、鉱物の起源は生命に依存します」と Hazen は言いました。
この関係のために、遠く離れた惑星に特定の鉱物が存在するかどうかは、その惑星に検出可能な生命が存在する可能性に影響を与える可能性があります。たとえば、天文学者は、いくつかの星が太陽とは異なる元素比率を持っていることを知っています。星の化学組成は、周回する惑星の元素の豊富さに影響し、どの鉱物が形成されるかにも影響します。これらの鉱物は、地質学的プロセス、生命が出現する可能性、生命の兆候が見えるかどうかに影響を与える可能性があります.科学者がさまざまな鉱物の可能性をモデルに組み込むことができれば、研究対象として最も有望な惑星をより正確に選択できる可能性があります。 「これは統計のゲームです」と、アリゾナ州立大学テンピ校の理論天体物理学者であるパトリック・ヤングは言いました。
しかし、生命に必要なミネラルがあれば、それはまだはっきりしていません。メリーランド大学ボルティモア郡の進化生物学者であるスティーブン・フリーランドは、リン元素の例を指摘しています。それほど豊富ではありませんが、地球上の生命にとって重要です。ミネラルは元素を集めて濃縮し、生命がそれを取り入れることを可能にしましたか? 「ある意味で、鉱物は混沌から秩序を引き出す方法です」とフリーランドは言いました。しかし、彼は、「これらはすべて、未知の海を泳いでいる」と付け加えています。
生命が形成するのにありふれたミネラルしか必要としない場合、それらのミネラルは地球に似た別の惑星で利用できる可能性があります。ただし、生命が希少鉱物に依存している場合、その出現の可能性はより危険になる可能性があります.惑星間の鉱物学的な違いは、「学術的関心のみであるか、鉱物学的に深刻な違いがあることを意味する可能性がある」と McKay は述べた。
Hazen のチームは現在、どの鉱物が地球に似た惑星を特徴付けるかを決定するために取り組んでいます。ハーゼンは、多くの希少鉱物の存在は、生命が誕生したことを示しているのではないかと考えています。たとえば、さまざまな種類の微生物と土壌との相互作用により、新しいミネラルが形成される多くの特殊な「微小環境」が作成されます。また、ミネラルは、細胞の破片よりも永続的な痕跡を残す可能性があります.
Hazen のチームは、地球上の鉱物についても予測を行っています。研究者は、ミネラルの分布 (いくつかの一般的なものと多くの珍しいもの) が、テキスト内の単語の分布に似ていることを発見しました。 a などのいくつかの単語 そして 頻繁に登場しますが、多くの単語は散発的にしか登場しません。したがって、チームは、言語学者が採用したモデルを使用して、鉱物に関するデータを分析し、地球上に存在する未発見の鉱物の数を推定することができました。少なくとも 6,394 の鉱物が存在します。これは、現在の検索技術で約 1,500 の新しい鉱物が見つかることを意味します。 .
これらの「不足している鉱物」の多くは、色がくすんでいるか、不安定であるため、気付かれなかった可能性が高いとチームは、American Mineraologist で 10 月に発行される予定の論文で指摘しています。 .しかし、Hazen は何人かを追い詰めたいと考えています。たとえば、ナトリウム鉱物は白または灰色である傾向があり、タンザニアのナトロン湖で見つかる可能性があります。この湖には白い鉱物が大量に堆積しています.
不足している鉱物を見つけても、生命がどのように発生したかについての理解にはおそらく追加されません。 「生命の起源の決定的な証拠となる鉱物が見つかるとは思えません」とHazen氏は述べています。しかし、この研究は、科学者が発見を偶然に任せるのではなく、どんな新しい鉱物が存在するかについて確固たる予測をするのに役立つかもしれません.
