炭素はどこから来るのでしょうか?チョコレートコーンのような古代植物が答えを教えてくれる →

一般的な化石エネルギー源である石炭は、燃焼すると大量の二酸化炭素を排出するため、まさに高炭素燃料です。石炭に含まれる炭素はどこから来るのでしょうか?

2024年5月、中国の研究者らは、中国でこれまでに行われた古生物化石の発掘調査で、鱗翅目の最も完全な鉱化標本と、山西省陽泉市の石炭紀地層で国内最大のコルダの化石個体を発見した。謎はついに解けた。

山西省陽泉市で木の化石が発見される（写真提供：新華網）

01LepidiumとCordaとは何ですか?

鱗翅目植物は樹木状のヒカゲノカズラ科に属し、古生代の石炭紀（約3億5500万年前～2億9500万年前）とペルム紀（約2億9500万年前～2億5000万年前）に主に熱帯の湿地帯に出現しました。古生代の石炭集積期を代表する樹木の一つです。リピドライトの幹は直立し、高さは最大 40 メートル、根元の太さは 2 ～ 3 メートルになります。幹の上部は二股に枝分かれすることが多く、枝は細長い葉で覆われています。葉の基部は膨らんでおり、葉が落ちた後、茎の表面に螺旋状に配置されたダイヤモンド形の葉座が残ります。これが魚の鱗に似ていることからこの名前が付けられました。チョコレートコーンのように見えると冗談を言う人もいましたが、本当に鮮やかですね！

レピドカルプス（画像出典：地球科学辞典）

古生代後期には、北半球の温暖湿潤地域に沿岸湿地が非常に広がっていました。ヨーロッパ、北米、中国の華北台地などの地域で初めて熱帯ジャングルが出現し、地質学史上初の大規模な石炭形成期が形成された。当時、ヨーロッパ、アメリカ、東アジアの沼地の森林では、リピドライトが主な植物でした。これらは石炭紀後期の沿岸湿地期における主要な石炭形成植物であり、したがって炭素形成運動のための原材料の主な供給源でした。

コルダウッドは、絶滅した裸子植物の重要なグループであるコルダ属の植物の総称です。これは、高さ 50 メートルにも達する高い幹と、茎の軸に帯状および密な螺旋状に分布する葉を持つ木質の化石です。石炭紀の地層に広く見られます。

02華北最古の森林生態系

陽泉植物化石群は、同市の鉱山地区にある水泉溝村、十嘴嘴村と郊外の銀営鎮で発見され、古生代石炭紀本渓層に位置している。地質学者は、これが近年我が国で発見された最も古い化石木材であると考えています。それは3億1000万年前の石炭紀後期の初期の石炭集積期にまで遡ります。これは、これまで北朝鮮で発見された最古の陸上森林生態系でもあります。同時に、約2億9500万年前の中国最大のコルダ材の化石もここで発見されました。当時の高さは約43.5メートルと推定され、石炭紀後期の本渓層の堆積期の中国植物相には高木が存在しなかったという欧米の古植物学者の誤解を正すものとなった。

研究者らは、化石木材を実験室で顕微鏡解剖し、鱗状木材化石の断面の木質細胞構造が蜂の巣のように密集しているのに対し、コダ木材化石の断面は中心から周囲に放射状に広がっていることを発見した。同時に、解剖により、樹木の内部には、美しい構造をした化石菌類やササラダニの糞と思われる化石が多数発見されたほか、植物が別の種類の樹木の内部に根付くという、最も古い「苗木」現象も確認された。発見された化石に基づいて、科学者たちは、このコルダウッドの木の幹の最も太い部分は、生きていた当時、平均的な成人男性の腰囲の約4倍あり、幹全体の高さは43.5メートル、15階建てのビルの高さに匹敵すると推測しています。これは、これまで中国で発見されたコルダ木の化石としては最大のものである。過去には、この高さの木はヨーロッパとアメリカの植物地帯でしか発見されていませんでした。

さらに、科学者たちは、大型のコルダエ科植物の茎でできた木質化石には年輪がなく、化石を含む地層の上下に石炭層が露出していることを発見した。これは、陽泉地域が石炭紀後期からペルム紀前期にかけて湿潤な熱帯環境にあり、明らかな季節変化がなかったことを示しています。これは、地質学者が数億年前の地元の古地理と古気候環境を理解するための重要な科学的根拠を提供します。

03 宇田の「植物ポンペイ」との類似点と相違点

実際、陽泉市は大部分が山岳地帯で、地層がよく露出しており、化石資源の露出と保存に理想的な地域の一つとなっています。ここの木の化石は広く分布しており、石炭紀後期からペルム紀末期にかけて堆積した 14 の岩層で発見されており、幅広い時代をカバーしています。現在、陽泉市博物館の「金の秘宝」展示ホールには、葦木化石、輝石木化石、コウダ木化石、鱗状木化石など十数点の植物化石標本が展示されており、人々にその過去と現在の生活を静かに伝えている。

つい最近、我が国の地質遺産3件が「第2回世界地質遺産100選」に選ばれました。その中には、内モンゴル自治区の「五大ペルム紀植生化石遺跡」も含まれています。また、植物の化石が豊富に発見されていることでも有名で、地下には約3億年前の熱帯雨林が保存されていることから「植物のポンペイ」とも呼ばれています。陽泉植物化石群との違いは何ですか？

表1：五大「植物ポンペイ」と陽泉植物化石の違い（表は馬志飛が作成）

04 結論

石炭に含まれる炭素はどこから来るのでしょうか?それは非常に古いが、混乱を招く話題です。太陽は主な原動力として、植物が空気中の二酸化炭素を吸収し、それを栄養分として蓄えて木質層を形成するように促します。植物は死んだ後、地中に埋もれ、高温と高圧の影響を受けて、何億年もかけて石炭に変わります。人類は石炭を燃やして熱を発生させ、大気中に大量の二酸化炭素を放出し、数億年にわたる炭素循環を形成しています。その中で、太陽、植物、地層、石炭、人間、大気がこのサイクルを構成し、炭素循環と生態系の動的バランスを維持しています。

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しかし、植物によって光合成能力や炭素固定能力が異なり、大気中の二酸化炭素含有量は時代によって異なることに注意する必要があります。大気中の二酸化炭素は植物の成長、発達、繁栄、進化を促進します。同時に、植物の繁栄と進化は、大気中の二酸化炭素濃度の変化を促進し、ひいては地域および地球規模の気候システムの進化を促進することになります。二人は互いに刺激し合い、促進し合います。一定期間内に、植物の構造と大気中の二酸化炭素は常に一定のバランスに達することができます。したがって、この時期の植物の構造形態を通じて、当時の大気の濃度を推測し、当時の気候システムを推測し、将来の気候の進化の傾向を予測することができます。これは、私たちが植物化石を研究・調査することの意義でもあります。

著者：馬志飛、地質学・地理学の人気科学ライター、北京科学技術普及創造協会会員

査読者: 劉 漢斌、山西省石炭地質局上級エンジニア

制作：中国科学普及協会

参考文献:

[1] ハン・ロン中国北部で最も古い森林生態系の遺跡が山西省で発見された。科学技術日報。 2023.12.01.

[2] 張全東、侯大王。私の国で最も完全な鉱物化したレピドカルプスの標本は、陽泉[N]産のものである。陽泉日報。 2024.05.15.

[3] 顧超陽泉の古代林の音を聞く[N]。陽泉イブニングニュース。 2024.05.22.

[4] 地球科学辞典編集委員会（専門委員会委員長：程宇奇、王洪珍）、黄宗里、張良弼（編著）。地球科学辞典（基礎分野編）[M]。北京：地質出版社、2006年1月。

[5] Qu Yue、Cao Chengrun、Zhang Wu、他。遼寧省東部後期古生代本渓層の石炭含有地層におけるリピドライトの発見とその意義[J]。地質学速報。 2015.03.