地球の酸素増加？理由は実は回転の減速です！どうしてこんなことが可能なのでしょうか?

日光が増えると、微生物層から酸素が逃げやすくなります。

ヒューロン湖のミドル島の陥没穴にある紫と白の微生物マットで覆われた岩の上に休んでいるボボット魚。

（写真提供：フィル・ハートマイヤー、アメリカ海洋大気庁、サンダーベイ国立海洋保護区）

地球が酸素が豊富な惑星になった理由について、新たな説が浮上した。地球の自転が遅くなるにつれ、微生物が太陽光を浴びる時間が長くなり、大気中に酸素を放出する速度が速まったというものだ。

私たちが自由に呼吸できるのは、何十億年も前に、地球上の最初の生命であるシアノバクテリアの密集したコロニーが光合成によって酸素を作り始めたからです。しかし科学者たちは、地球を低酸素惑星から複雑な生命が進化し多様化できる酸素が豊富な世界へと変化させた2つの変革的酸素化イベントを引き起こした原因が何であったのかまだわかっていない。

現在、研究者らは、微生物が生成した酸素の放出を促進した可能性のある重要な要因を特定した。それは、約24億年前に始まった地球の自転の減速である。地球が誕生したばかりの頃は、自転速度が速く、数時間で一周していましたが、数億年かけて徐々に速度が遅くなっていきました。新しい研究によると、一日の長さが一定の閾値に達し、光の時間が長くなると、酸素分子が高濃度領域（バクテリアマット）から低濃度領域（大気）へと拡散する確率が高くなり、それがおそらく酸素化の重要な時間帯になると考えられる。

最近、科学者たちはヒューロン湖の底にある陥没穴でこの関連性の手がかりを発見した。ミシガン州とカナダのオンタリオ州に隣接するヒューロン湖は、世界最大の淡水湖のひとつです。湖にある中島セノーテは直径300フィート（91メートル）あり、水面下約80フィート（24メートル）のところにあります。そこでは、硫黄を豊富に含む水が、地球上で最も古い細菌のように、低酸素環境で繁殖する色とりどりの微生物を育んでいます。

陥没穴の極寒の深部には、光合成によって酸素を生成し、日光を求める紫色のシアノバクテリアと、硫黄を消費して硫酸塩を放出する白色バクテリアの2種類の微生物が生息している。微生物は一日中位置を争っており、朝と夕方には硫黄を食べるバクテリアが紫色の隣人を覆い、紫色の微生物が太陽に届かないようにする。しかし、太陽光が最も強いときには、白い微生物は光を避けて地中深くに潜り込み、紫色の藻類を露出させて光合成を行い酸素を放出できるようにします。

研究者らは、数十億年前にも微生物群の間で同様の競争が起こり、酸素を生成する細菌の周囲の微生物が太陽光へのアクセスを遮断した可能性があると記している。その後、地球上の日が長くなるにつれて、酸素生産者は日光の下で過ごす時間が増え、大気中に放出される酸素の量も増えました。

「分子拡散の物理学に基づき、光力学と酸素放出の間には根本的なつながりがあることに気づいた」と、ドイツ・ブレーメンのマックス・プランク海洋微生物学研究所の研究科学者で筆頭著者のジュディス・クラット氏は言う。「分子拡散では、熱変化によって分子が高濃度から低濃度の領域に移動する」

「たとえ1時間当たり同じ量の酸素が生産されたとしても、日照時間が短くなれば、マットから逃げる酸素は少なくなる」とクラット氏は電子メールでライブサイエンスに語った。

6 月のヒューロン湖のセンター島の陥没穴にある紫色の微生物マット。パッド上にあるような丘や「指状突起」は、その下からメタンや硫化水素などのガスが泡立つことによって発生します。 （写真提供：フィル・ハートマイヤー、アメリカ海洋大気庁、サンダーベイ国立海洋保護区）

スピン周期

現在、地球は24時間ごとに自転を一周するが、40億年前には1日がわずか6時間程度しか続かなかったと研究者らは報告している。数十億年もの間、地球と月の継続的なダンスは、地球の自転を遅くする潮汐摩擦と呼ばれるプロセスによって遅くなってきました。

地球が自転するにつれて、月（そして程度は低いが太陽）が地球の海を引っ張ります。これにより海洋が引き伸ばされ、地球の中心から遠ざかり、地球の自転からエネルギーが奪われ、自転速度が遅くなると、ミシガン大学文学・科学・芸術学部地球環境科学科の教授で、この研究の共著者であるブライアン・アービック氏は述べた。

減速はわずかだったが、何億年もかけて日照時間が数時間増えた。減速は今も続いている、とアービック氏はライブサイエンスに電子メールで語った。

「潮汐摩擦によって自転速度は引き続き遅くなり、地質学的に見て昼は長くなり続けるだろう」とアビック氏は語った。

ダイバーがヒューロン湖のミドル島陥没穴の岩を覆う紫、白、緑の微生物を観察している。 （写真提供：フィル・ハートマイヤー、アメリカ海洋大気庁、サンダーベイ国立海洋保護区）

新鮮な空気を吸おう

研究者たちは、日の長さと微生物層からの酸素の逃避に関するさまざまなシナリオをシミュレートした。研究者らが自分たちのモデルを、中島陥没穴から採取した競合する微生物マットの分析結果と比較したところ、自分たちの予測が裏付けられ、光合成細菌は日照時間が長いほど酸素をより多く放出することが判明した。

これは微生物の光合成量が増えたからではありません。むしろ、日光の時間が長くなると、一日を通してマットから逃げる酸素が増えるからだと、ブレーメンにあるライプニッツ熱帯海洋研究センターの研究科学者で、この研究の共著者であるアルジュン・チェンヌ氏は言う。

「酸素の放出と太陽光との微妙な分離がこのメカニズムの核心にある」とチェンヌ氏は声明で述べた。

スミソニアン環境研究センターによると、地球の大気は、地球が誕生して約46億年前に冷却した後に形成され、主に硫化水素、メタン、二酸化炭素（CO2）で構成されており、現在の大気中に存在するCO2の量の200倍に上る。

約 24 億年前の大酸化イベント (GOE) の後、すべてが変わりました。その後、約 20 億年後に新原生代酸化イベントが発生し、大気中の酸素が現在の約 21% のレベルまで上昇しました。これまで、この2つの酸素化現象は光合成シアノバクテリアの活動に関連していると考えられていたが、この新たな証拠は、地球の日数が「これまでほとんど考慮されていなかった要因」である可能性を示唆しており、それが微生物マットに酸素をより多く放出させるきっかけとなり、「これまで提案されていた他の酸素化の要因と並行して」起こったとクラット氏は述べた。

著者: ミンディ・ワイスバーガー

FY: 尹一婷

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