植物の過度な成長と高酸素濃度は他の生物にどのような害をもたらすでしょうか?

酸素はかつて「陽気」と呼ばれていました。名前の通り、私たちに栄養を与えるガスです。酸素はすべての生物が生きていくために不可欠な物質です。人間は呼吸をしなければ数分以内に死んでしまいます。しかし実際には、酸素濃度が高すぎると生物にとって有害です。

好気呼吸は本質的にゆっくりとした酸化反応ですが、燃焼は激しい酸化反応です。したがって、好気呼吸は、最終的に生物を燃やし尽くすゆっくりとした「燃焼」とみなすことができます。

地質学の歴史において、2 つの大量絶滅は、植物などの酸素生成生物の繁栄または過剰な酸素濃度に関連していました。

大酸化イベント

「酸素大惨事」としても知られる大酸化事件は、大気中の酸素がゼロから存在するようになる過程で、初期の嫌気性生物が大規模に絶滅したことを指します。

約38億年前、当時は地球上に酸素がほとんど存在しなかった環境で、最も初期の生命体が誕生しました。それらは主に、古細菌や真正細菌などの嫌気性生物でした。

古細菌

最も古い酸素生成生物であるシアノバクテリアは、35億年前に出現しました。シアノバクテリアは植物ではありませんが、より正確にはシアノバクテリアと呼ばれることに注意してください。シアノバクテリアは酸素を生成する原核生物であり、植物は酸素を生成する真核生物です。

シアノバクテリアによって生成された酸素は、当時地球上のあらゆる場所に存在していた還元性物質、主に二価鉄イオンを酸化しました。これには丸10億年かかりました。

大酸化の遺産：鉄鉱石（酸素による鉄イオンの酸化によって形成される三価鉄の沈殿物）

約 24 億年前までに自由酸素が放出され始め、大気中の酸素濃度は数億年の間にほぼゼロから 4% (現在は 21%) に上昇しました。

大酸化イベント：第2段階

酸素の害は、酸化反応で生成される中間酸素フリーラジカルにあり、これが生体膜や遺伝物質 DNA に損傷を与える可能性があります。この酸素災害で嫌気性古細菌はほぼ絶滅した。大酸化イベント以前は、古細菌が地球上の主要な生命体でした。現在、古細菌の痕跡は、極度に酸素が欠乏している海底火山の噴出孔や、高濃度の塩水湖の底などでしか確認できません。

一部の古細菌は生き残り、DNAを修復する能力を発達させました。徐々に保護的な核膜が発達し、細胞核が形成されました。これらは最も原始的な真核生物であり、今日のすべての菌類、植物、動物、そして人類の共通の祖先です。

真核生物：藻類細胞

約 21 年前、この原始的な真核生物のグループは好気性細菌を取り込み、最終的に内部共生関係を形成しました。こうしてミトコンドリアは真核細胞内に定着した。それ以降、真核生物は好気性生活を送り始め、加速的に進化し始めました。

古細菌は二分裂によって繁殖します。元の細胞は 2 つに分裂し、新しく形成された 2 つの細胞は元の細胞とまったく同じになります。この意味では、分裂し続けることができる限り、それらは不滅です。

真核生物の呼吸中枢：ミトコンドリア

遺伝物質を破壊する酸素の悪影響を軽減するために、真核生物は遺伝子組み換えのメカニズム、つまり、子孫が親とは異なる有性生殖を発達させました。酸素フリーラジカルのダメージにより、すべての真核生物は最終的に老化し、死に至ります。

したがって、酸素の出現は生命体のより高度で複雑な方向への進化を促進しましたが、寿命は短くなりました。

デボン紀後期の大量絶滅

酸素が豊富な時代に起こった2番目の災害は、デボン紀後期の大量絶滅でした。オルドビス紀以降、植物や節足動物が次々と地球上に上陸しました。当時は、生きた植物を食べる動物は存在しませんでした。動物は他の動物や、腐敗した植物や動物の死骸の残骸しか食べることができませんでした。これにより、2億年以上にわたって植物が蔓延し、デボン紀後期（3億7700万年前から3億5900万年前）までに世界中に原始林が形成されました。陸上植物の繁栄により、大気中の酸素含有量は劇的に増加しました。

デボン紀の森林と節足動物

初期の地球には土壌は存在しませんでした。植物は岩石に作用して土壌を分解し、植物の成長に必要な無機塩類が豊富に含まれた土壌が植物のさらなる成長を促進しました。これらの無機塩は海に流れ込み、藻類の乱繁殖を引き起こし、水の富栄養化と海の酸素の消費を引き起こします。

水域の富栄養化

このように、デボン紀後期には大気は酸素に富んでいたものの、海洋は酸素が欠乏し、多くの海洋動物が窒息死した。

ダンクルオステウスは体長6～7メートルの板皮類の一種で、デボン紀の覇者でした。板皮類はデボン紀の優勢な魚類であったが、デボン紀後期にはすべて絶滅した。

デボン紀後期の2000万年以上の間、陸地は繁栄していましたが、海は地獄でした。クロスプテリギスと呼ばれる種類の魚がいますが、海の中で座して死を待つことを望まなかったので、陸上で動ける肺と手足を成長させました。

ついにある日、彼らは無事に着陸しました。これは、今日の両生類、爬虫類、鳥類、哺乳類、そして人類の共通の祖先である、最古の四肢動物、イクチオステガでした。

酸素の冷却効果

植物、シアノバクテリア、そしてそれらが生成する酸素が地球環境に及ぼすもう一つの影響は、冷却です。初期の地球の大気中には、非常に効率的な温室効果ガスであるメタンが高濃度で存在していました。その存在により、初期の太陽光が比較的薄暗かったときでも地球は比較的高い温度を維持でき、生命が誕生しました。

酸素はメタンを二酸化炭素に酸化しますが、温室効果ガスとしてはメタンほど効率的ではありません。植物は二酸化炭素を吸収して酸素を放出することができ、それが正のフィードバックループを形成し、大気中の酸素含有量がますます高くなり、メタンと二酸化炭素の含有量がますます低くなり、地球を冷却します。

大酸化イベントとデボン紀後期絶滅イベントの両方で、地球が凍って雪玉になったほどの深刻な寒冷化が起こりました。

極地の氷河の形成により地球の海面が低下し、浅海生物が生存するために依存している大陸棚が海面に露出することになり、浅海生物にとって致命的となる。これが、デボン紀後期に多数のサンゴ礁が絶滅した理由です。